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德州農(nóng)工大學(xué)Acta Mater.: 機(jī)器學(xué)習(xí)用于快速評(píng)估高熵合金的彈性性能

高熵合金（HEAs）是一類新型材料，具有有趣的電子特性和優(yōu)異的機(jī)械性能?；谀突鸩牧系腍EA（RHEA）是一類特殊的HEA，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，過高的計(jì)算成本和第一性原理方法的不確定性限制了使用傳統(tǒng)方法探索其指數(shù)級(jí)組合設(shè)計(jì)空間。

在此，美國德州農(nóng)工大學(xué)Guillermo Vazquez, Prashant Singh及Raymundo Arróyave等人開發(fā)了基于描述符的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）框架模型，用于在廣闊HEA空間中快速探索機(jī)械性能。

具體而言，作者以基于耐火材料的Nb-Ta-Mo-W-V HEAs舉例說明了基于描述符的分析模型對(duì)合金空間進(jìn)行快速探索的能力。在從DFT計(jì)算獲得的彈性屬性數(shù)據(jù)庫上，使用基于確定獨(dú)立篩選和稀疏算子（SISSO）的ML方法訓(xùn)練可靠、最優(yōu)和可解釋的分析描述符。作者還對(duì)目標(biāo)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過關(guān)聯(lián)常見的元素/合金特征以優(yōu)化描述符，從而更好地解釋提出的分析模型，這與黑盒ML模型明顯不同。

Nb-Ta-Mo-W-V HEA的預(yù)測剛度矩陣用于評(píng)估技術(shù)上有用的量（如屈服強(qiáng)度），這些量可識(shí)別與熵的最佳組合更相關(guān)的高強(qiáng)度區(qū)域、具有大尺寸效應(yīng)的區(qū)域、大的電負(fù)性方差和高相穩(wěn)定性區(qū)域等。

圖1. 采樣、特征構(gòu)建和特征分析過程的示意圖

上述預(yù)測的趨勢與有限的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)相匹配，進(jìn)一步建立基于描述符的廉價(jià)方法可以加速技術(shù)上有用HEA的設(shè)計(jì)。甚至，彈性關(guān)系也在五元合金空間中表現(xiàn)出與屈服強(qiáng)度相似的行為，這表明使用分析描述符是估計(jì)延展性的更直接方法。

此外，作者還注意到具有優(yōu)異機(jī)械性能的合金成分不一定具有最高化學(xué)熵或價(jià)電子數(shù)。例如，作者在低熵區(qū)域發(fā)現(xiàn)了具有高強(qiáng)度和高相穩(wěn)定性（低形成焓）的成分，這再次質(zhì)疑了將重點(diǎn)放在最大化熵以獲得更好的機(jī)械性能上的做法。總之，這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)，計(jì)算成本低廉的ML模型對(duì)于徹底和準(zhǔn)確地搜索廣闊的HEA組合空間以識(shí)別具有理想目標(biāo)屬性的區(qū)域非常重要。為此，對(duì)合金空間的無約束搜索允許進(jìn)一步優(yōu)化HEA成分，且各種機(jī)械性能的系統(tǒng)研究將有利于加速尋找技術(shù)上有用的HEA。

圖2. 楊氏模量描述符-交叉驗(yàn)證和誤差分析

Efficient machine-learning model for fast assessment of elastic properties of high-entropy alloys, Acta Materialia 2022. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117924

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