Блог

Oct 08, 2023

Прогнозирование твердости по Виккерсу с помощью методов машинного обучения

Scientific Reports Volume 12, Номер статьи: 22475 (2022) Цитировать эту статью 1445 Доступов 5 Подробности Altmetric Metrics Поиск новых сверхтвердых материалов представляет большой интерес для экстремальных

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22475 (2022) Цитировать эту статью

1445 Доступов

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Поиск новых сверхтвердых материалов представляет большой интерес для экстремальных промышленных применений. Однако теоретическое предсказание твердости по-прежнему остается проблемой для научного сообщества, учитывая сложность моделирования пластического поведения твердых тел. На протяжении многих лет предлагались различные модели твердости. Тем не менее, они либо слишком сложны в использовании, неточны при экстраполяции на широкий спектр твердых тел, либо требуют знаний в области кодирования. В этом исследовании мы создали успешную модель машинного обучения, которая реализует регрессор градиентного повышения (GBR) для прогнозирования твердости и использует механические свойства твердого тела (модуль объемного сжатия, модуль сдвига, модуль Юнга и коэффициент Пуассона) в качестве входных переменных. Модель была обучена с использованием экспериментальной базы данных твердости по Виккерсу, состоящей из 143 материалов, что позволяет гарантировать различные типы соединений. Входные свойства рассчитывались на основе теоретического тензора упругости. База данных Проекта «Материалы» была исследована с целью поиска новых сверхтвердых материалов, и наши результаты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. В этой работе также обсуждаются другие альтернативные модели для расчета твердости на основе механических свойств. Наши результаты доступны в бесплатном и простом в использовании онлайн-приложении, которое можно в дальнейшем использовать в будущих исследованиях новых материалов на сайте www.hardnesscalculator.com.

Твердость — это мера сопротивления материала локализованной пластической деформации. За прошедшие годы было разработано несколько методик определения твердости (по Бринеллю, Виккерсу, Кнупу и Роквеллу), каждая из которых имеет свою собственную шкалу. Однако основной принцип измерения твердости заключается в вдавливании индентора в испытуемую поверхность в условиях контролируемой нагрузки. Чем больше углубление, тем мягче материал. Глубина и размер углубления затем преобразуются в показатель твердости. В этой работе мы сосредоточимся на твердости по Виккерсу, которая является одним из самых популярных методов, поскольку ее легко рассчитать экспериментально и можно использовать для всех материалов независимо от твердости. В тесте на твердость по Виккерсу используется очень маленький алмазный индентор пирамидальной формы, угол которого между плоскими гранями кончика индентора составляет 136\(^\circ\). Измерение твердости по Виккерсу определяется следующим соотношением:

где F — приложенная сила (кгс), а d — средняя длина диагонали, оставленной индентором (мм).

Поиск новых материалов с превосходной твердостью на протяжении многих лет вызывал значительный интерес в научном сообществе1,2,3. Эти материалы необходимы в экстремальных промышленных применениях, таких как твердосплавные режущие инструменты, абразивные и износостойкие покрытия. Традиционно предпочтительными материалами для этих применений являются алмаз, нитрид титана и кубический нитрид бора (c-BN). Однако они имеют ограничения из-за различия в характере химической связи и химической реакционной способности. Например, алмаз реагирует с железом, а процесс синтеза первых двух материалов требует условий высокого давления и высоких температур, что делает их дорогостоящими4.

Методы первых принципов показали свою жизнеспособность для прогнозирования многих физических свойств материалов. Среди многих существующих методов теория функционала плотности (ТПФ) выделяется своим практичным и полезным подходом к решению систем конденсированного состояния. ТФП стал основным инструментом для расчета кристаллических структур и упругих свойств широкого спектра материалов с замечательным успехом при сравнении результатов с экспериментом5. Однако прогнозирование твердости на основе первоначальных расчетов — нетривиальная задача. Твердость является мерой сопротивления твердого тела пластической деформации6. Несмотря на свои успехи в расчете упругих свойств, метод DFT не может напрямую предсказать пластическое поведение твердого тела.