高溫合金設計需要同時考慮多種不同尺度的機制。本文提出了一個新方法將高度相關的物理學與機器學習(ML)相結合,以9~12 wt%Cr鋼的屈服強度為例來預測復雜的高溫合金性能。將合成合金特征納入數據集,捕獲微觀結構和相變。通過相關分析發現了影響9Cr屈服強度的高沖擊特征,與公認的強化機理一致。作為驗證過程的一部分,針對溫度對子數據集的一致性進行了廣泛的評估,然后針對經過訓練的ML模型的邊界條件進行了完善。使用ML模型預測的9Cr鋼的屈服強度與實驗非常吻合。當前的方法在詢問ML模型時引入了物理上有意義的約束條件,可準確預測應用于數據驅動材料的假設合金的性能。 圖1.9Cr數據集中的特征9Cr數據分析中考慮的合金特征。1/2組是原始實驗數據,3/4組是計算的合成合金特征。該數據集涵蓋了從室溫到800°C的數據,溫度旁邊的括號中的值表示每個溫度下的數據點數 圖2.基于相關性分析的機器學習準確性。以原始實驗數據(成分,處理和測試條件以及PAGS)為函數的五個訓練過的ML模型(BR貝葉斯嶺回歸;LR線性回歸;NN最近鄰;RF隨機森林;SVM支持向量機)的準確性 整個9Cr數據集中排名最高的要素的數量。每個模型的超參數最多可進行150次迭代以獲得最佳參數。每個模型接受十次訓練以確定平均準確度及其標準偏差。 圖3.不同溫度下子集數據的相關性分析。所有特征(組成,加工和測試條件,微觀結構和相變溫度,請參見表1)與選定代表溫度下的屈服強度之間的相關性分析結果。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個特征中前10個和后10個特征的相關系數。 圖4.各個溫度子數據集的ML性能。根據MIC和b PCC分析得出的經過訓練的ML模型(以隨機森林為例)的精度與溫度和頂級特征數的關系。對模型進行了十次訓練,以確定平均準確度及其標準偏差(誤差線)。每個模型的超參數最多可進行150次迭代以獲得最佳參數。垂直虛線指示從哪里開始出現數據不足和相關功能的問題。 圖5.截斷(≤650°C)數據集中所有合金特征與屈服強度之間的相關性分析。a來自MIC的排名前20位的特征和| PCC |來自的相應特征,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量的關系。五個經過訓練的ML模型(BR貝葉斯嶺回歸;LR線性回歸;NN最近鄰;RF隨機森林;SVM支持向量機回歸)在預測屈服強度方面的準確性。這些模型接受了高通量計算中合成的合成特征的訓練,這些特征是截斷的數據集(≤650°C)中排名最高的特征的數量的函數。每個模型的超參數最多可進行150次迭代以獲得最佳參數。每個模型經過十次訓練,以確定平均準確度及其標準偏差(誤差線)。 圖7.具有MIC和PCC分析的前10個特征的具有隨機森林(RF)的9Cr鋼的實驗屈服強度與預測屈服強度。 MAE代表平均絕對誤差(MAE)。 圖8.實驗和預測的具有隨機森林(RF)的9Cr鋼的PAGS,具有MIC和PCC分析的前10個特征。MAE代表平均絕對誤差(MAE)。
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