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  2. 《Nature》子刊:復(fù)雜高溫合金性能預(yù)測新方法
    2023-05-16 13:58:49 作者:測了么測試服務(wù) 來源:測了么測試服務(wù) 分享至:

     

     

    機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)作為人工智能(AI)的分支之一,其目的是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和情況來訓(xùn)練模型。由于它能夠在不知道潛在的物理機(jī)制的情況下從可用數(shù)據(jù)中獲得性能和趨勢(shì),ML已經(jīng)開始在材料科學(xué)中發(fā)揮重要作用。此外,已經(jīng)建立的ML模型也可以再次用于材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。ML技術(shù)在材料研究中如預(yù)測鋼疲勞強(qiáng)度、預(yù)測合金的物理和機(jī)械性質(zhì)領(lǐng)域成為成功的應(yīng)用案例。

         

    美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Dongwon Shin教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的將高度相關(guān)的物理學(xué)耦合到ML模型中以預(yù)測多相和多組分高溫合金性能相關(guān)研究結(jié)果以題為“Coupling physics in machine learning to predict properties of high-temperatures alloys Corrosion resistance enhancement of CoCrFeMnNi high-entropy alloy fabricated by additive manufacturing”發(fā)表在Nature子刊npj Computational Materials上。

     

     

    01


    高溫合金設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮多種不同尺度的機(jī)制。本文提出了一個(gè)新方法將高度相關(guān)的物理學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)相結(jié)合,以9~12 wt%Cr鋼的屈服強(qiáng)度為例來預(yù)測復(fù)雜的高溫合金性能。將合成合金特征納入數(shù)據(jù)集,捕獲微觀結(jié)構(gòu)和相變。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)了影響9Cr屈服強(qiáng)度的高沖擊特征,與公認(rèn)的強(qiáng)化機(jī)理一致。作為驗(yàn)證過程的一部分,針對(duì)溫度對(duì)子數(shù)據(jù)集的一致性進(jìn)行了廣泛的評(píng)估,然后針對(duì)經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型的邊界條件進(jìn)行了完善。使用ML模型預(yù)測的9Cr鋼的屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)非常吻合。當(dāng)前的方法在詢問ML模型時(shí)引入了物理上有意義的約束條件,可準(zhǔn)確預(yù)測應(yīng)用于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)材料的假設(shè)合金的性能。

     

    02

    圖1.9Cr數(shù)據(jù)集中的特征9Cr數(shù)據(jù)分析中考慮的合金特征。1/2組是原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),3/4組是計(jì)算的合成合金特征。該數(shù)據(jù)集涵蓋了從室溫到800°C的數(shù)據(jù),溫度旁邊的括號(hào)中的值表示每個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)

     

    圖2.基于相關(guān)性分析的機(jī)器學(xué)習(xí)準(zhǔn)確性。以原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(成分,處理和測試條件以及PAGS)為函數(shù)的五個(gè)訓(xùn)練過的ML模型(BR貝葉斯嶺回歸;LR線性回歸;NN最近鄰;RF隨機(jī)森林;SVM支持向量機(jī))的準(zhǔn)確性 整個(gè)9Cr數(shù)據(jù)集中排名最高的要素的數(shù)量。每個(gè)模型的超參數(shù)最多可進(jìn)行150次迭代以獲得最佳參數(shù)。每個(gè)模型接受十次訓(xùn)練以確定平均準(zhǔn)確度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差。

     

    圖3.不同溫度下子集數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析。所有特征(組成,加工和測試條件,微觀結(jié)構(gòu)和相變溫度,請(qǐng)參見表1)與選定代表溫度下的屈服強(qiáng)度之間的相關(guān)性分析結(jié)果。給出了200°C(低溫),550°C和650°C(中至高溫)以及750°C(高于使用溫度)的45個(gè)特征中前10個(gè)和后10個(gè)特征的相關(guān)系數(shù)。

     

     

     

     

     

     

     

    圖4.各個(gè)溫度子數(shù)據(jù)集的ML性能。根據(jù)MIC和b PCC分析得出的經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型(以隨機(jī)森林為例)的精度與溫度和頂級(jí)特征數(shù)的關(guān)系。對(duì)模型進(jìn)行了十次訓(xùn)練,以確定平均準(zhǔn)確度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差(誤差線)。每個(gè)模型的超參數(shù)最多可進(jìn)行150次迭代以獲得最佳參數(shù)。垂直虛線指示從哪里開始出現(xiàn)數(shù)據(jù)不足和相關(guān)功能的問題。

     

     

     

     

     

    圖5.截?cái)啵?le;650°C)數(shù)據(jù)集中所有合金特征與屈服強(qiáng)度之間的相關(guān)性分析。a來自MIC的排名前20位的特征和| PCC |來自的相應(yīng)特征,以及b來自PCC分析的前10名和后10名特征。

     

     

     

     

     

     

     

    圖6. ML性能與排名最高的功能數(shù)量的關(guān)系。五個(gè)經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型(BR貝葉斯嶺回歸;LR線性回歸;NN最近鄰;RF隨機(jī)森林;SVM支持向量機(jī)回歸)在預(yù)測屈服強(qiáng)度方面的準(zhǔn)確性。這些模型接受了高通量計(jì)算中合成的合成特征的訓(xùn)練,這些特征是截?cái)嗟臄?shù)據(jù)集(≤650°C)中排名最高的特征的數(shù)量的函數(shù)。每個(gè)模型的超參數(shù)最多可進(jìn)行150次迭代以獲得最佳參數(shù)。每個(gè)模型經(jīng)過十次訓(xùn)練,以確定平均準(zhǔn)確度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差(誤差線)。

     

     

     

     

     

    圖7.具有MIC和PCC分析的前10個(gè)特征的具有隨機(jī)森林(RF)的9Cr鋼的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度與預(yù)測屈服強(qiáng)度。  MAE代表平均絕對(duì)誤差(MAE)。

     

     

     

     

     

     

     

    圖8.實(shí)驗(yàn)和預(yù)測的具有隨機(jī)森林(RF)的9Cr鋼的PAGS,具有MIC和PCC分析的前10個(gè)特征。MAE代表平均絕對(duì)誤差(MAE)。

     

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