JMRT 综述:ML辅助高熵合金相预测+力学+摩擦+腐蚀+储氢多性能设计
2026-09-01 13:54:46
作者:Metals Letters 来源:Metals Letters
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原文标题:Review of machine learning-assisted multi-property design of high-entropy alloys: phase structure, mechanical, tribological, corrosion, and hydrogen storage properties
标题翻译:机器学习辅助高熵合金多性能设计综述:相结构、力学、摩擦学、腐蚀及储氢性能
通讯作者单位:沈阳工业大学机械工程学院
本文系统综述了机器学习在高熵合金多性能设计中的最新研究进展。高熵合金作为一种新型多主元合金体系,因其独特的成分设计和优异的性能优势受到广泛关注,但其复杂的成分空间和传统试错法的高昂成本严重制约了高性能合金的开发效率。机器学习作为数据驱动科学的重要分支,能够建立合金成分、加工工艺、微观组织与性能之间的定量关系模型,在高熵合金相结构预测和性能优化中展现出巨大潜力。文章首先介绍了机器学习在低熵合金研究中的基本工作流程,涵盖数据收集与预处理、算法选择与超参数优化、模型评估与可解释性分析等关键环节。随后,详细综述了机器学习在相结构预测、硬度、屈服强度、弹性模量、摩擦学性能、腐蚀性能及储氢性能等方面的具体应用,总结了不同目标性能所对应的典型输入特征(如相预测常用VEC、ΔS_mix、Δχ、δ、ΔH_mix等经验参数;力学性能预测常用合金成分和经验参数;摩擦学性能还需考虑载荷、滑动距离等工况参数;腐蚀性能需纳入pH值等环境因素;储氢性能则以合金成分为主)。文章进一步指出了当前研究面临的数据质量、算法可解释性等挑战,并对未来发展方向进行了展望。本综述为研究者系统理解机器学习在高熵合金领域的应用提供了全面的参考框架。
原文共有图29,本文图片选自原文中图1、9、16、17、22、29。
图1:展示了机器学习在高熵合金研究中的基本工作流程图,包括数据收集、数据预处理、算法选择、超参数优化、模型评估和模型可解释性六个主要步骤,为后续各性能预测的应用提供了统一的分析框架。
图9:展示了基于深度学习的相结构预测结果。图中对比了原始特征集与经递归特征消除筛选后的特征集的交叉验证精度,结果表明经过特征筛选后模型的预测精度显著提升,证明合理的特征选择对提高相预测准确性至关重要。
图16:展示了基于Stacking集成学习策略的高硬度高熵合金预测系统框架图。该框架以CatBoost和LightGBM作为基学习器,通过集成多个弱学习器来提高硬度预测的准确性和稳定性,有效降低了单一模型过拟合的风险。
图17:展示了集成学习模型对高熵合金硬度的预测性能。训练集、测试集和十折交叉验证的拟合曲线基本一致,表明模型未发生过拟合;留一法交叉验证的R²和RMSE结果均表现优异,证明了模型具有良好的预测能力和外推能力。
图22:展示了机器学习优化的异质晶粒结构CrCoFeNi高熵合金的屈服强度与晶粒尺寸关系。当小晶粒尺寸为38.4 nm时屈服强度达到最大值(9.54±0.08 GPa),对应原子模型的应力-应变曲线与物理模型和机器学习模型的预测高度一致。
图29:展示了机器学习辅助高熵合金储氢性能设计的完整流程及结果。KNN模型在H/M比预测中表现最优,SVR模型在VEC预测中精度最高;通过反向优化设计,从6188种潜在合金组合中筛选出774种具有优异储氢潜力的合金。
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