摘要：氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ODS）具有優(yōu)異的力學(xué)性能和顯著的耐輻照、耐腐蝕和抗氧化性能，是可用于第四代核反應(yīng)堆的一種非常有前途的包殼材料。在這項(xiàng)工作中，結(jié)合不同微觀表征手段研究了八種ODS鋼的基體晶粒形貌、彌散形貌和氧化物顆粒相。并收集了不同ODS鋼的500多個(gè)數(shù)據(jù)，并使用420個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）建模，將微觀結(jié)構(gòu)特征作為特征變量被引入到ML算法中。利用平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（）來(lái)對(duì)比不同模型的優(yōu)劣，從而選擇最佳模型，驗(yàn)證材料性能的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)表明，ML模型具有精確預(yù)測(cè)ODS鋼硬度和屈服強(qiáng)度的潛力，從而為新型ODS鋼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有價(jià)值的理論框架。

研究方法：圖1顯示了整個(gè)ML模型的工作流程圖，模型訓(xùn)練的方法包括：邏輯回歸算法（LR）、支持向量回歸算法（SVR）、K鄰近回歸算法（KNR）、多層感知機(jī)算法（MLP）、核嶺回顧算法（KRR）、隨機(jī)森林回歸算法（RFR）以及梯度提升算法（XGB）。從谷歌學(xué)術(shù)和CNKI收集了500多組關(guān)于ODS鋼的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集包括化學(xué)成分、熱處理工藝、微觀結(jié)構(gòu)描述符(如氧化物顆粒的平均尺寸、數(shù)量密度、顆粒間距和體積分?jǐn)?shù))和機(jī)械性能等信息。

圖1. 模型工作流程圖。

表1. 特征與描述的類型。

結(jié)果：圖2給出了不同ODS鋼中基體晶粒的STEM-HAADF圖像和尺寸分布圖。ODS鋼的基體晶粒在垂直于擠軸的橫截面上是等軸的。

圖2. 不同ODS鋼微觀組織尺寸分布圖。

十五個(gè)描述符之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)在圖3中。圓圈越大，紅色越深，相關(guān)性越強(qiáng)。可以看到， 、鋯和鈦之間以及鉻和鋁之間具有高度的存在線性相關(guān)性；納米顆粒的平均尺寸（AS）和其體積分?jǐn)?shù)（VF）之間存在線性相關(guān)性。表明具有高線性相關(guān)性的兩個(gè)特征可以在某種程度上相互替代。

圖3. 隨機(jī)森林篩選后各特征值組合的相關(guān)系數(shù)。

圖4顯示了六種硬度預(yù)測(cè)算法模型的RMSE、MAE和值。XGB模型具有低的RMSE值與MAE值，最高的值，表明與其他回歸模型相比具有更好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

圖4. 不同ML模型關(guān)于硬度數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)。

圖5給出了不同模型在評(píng)估數(shù)據(jù)集上屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)能力對(duì)比。從圖中可以

看出，XGB模型具有最佳的預(yù)測(cè)性能。

圖5. 不同ML模型關(guān)于屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

圖6給出了會(huì)影響硬度和屈服強(qiáng)度的輸入變量的重要性順序。熱處理工藝化學(xué)成分以及微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)硬度以及屈服強(qiáng)度的影響有所差異。對(duì)硬度的影響顯著的是熱處理工藝，而對(duì)屈服強(qiáng)度的影響的則是化學(xué)成分。

圖6. 不同數(shù)據(jù)特征對(duì)硬度以及屈服強(qiáng)度影響的重要性順序。

圖7顯示了五種ODS鋼的維氏硬度的測(cè)量值和XGB模型預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值之間的誤差不大，均在可接受的范圍內(nèi)。表2為屈服強(qiáng)度的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比，誤差同意是可以接受的。

圖7. 硬度的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值對(duì)比。

表2. 屈服強(qiáng)度的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值對(duì)比。

結(jié)論：利用表征手段對(duì)ODS鋼中納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。然后評(píng)估了ML模型在硬度和屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)集上的預(yù)測(cè)性能。選擇最佳模型來(lái)驗(yàn)證硬度和屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性：

（1）XGB模型對(duì)于硬度以及屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)的RMSE值和MAE值，值很高，表明XGB模型對(duì)ODS鋼的預(yù)測(cè)。

（2）熱處理工藝對(duì)硬度的影響很大；化學(xué)成分對(duì)屈服強(qiáng)度的影響很大。

（3）預(yù)測(cè)的硬度和屈服強(qiáng)度與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值吻合良好，證實(shí)了XGB模型預(yù)測(cè)力學(xué)性能的有效性。研究有助于合金的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而開(kāi)發(fā)出具有更好機(jī)械性能的ODS鋼。

相關(guān)工作以“Prediction of hardness or yield strength for ODS steels based on machine learning"為題發(fā)表在Materials Characterization期刊上，論文第一作者為Tian Xing Yang，通訊作者為Peng Dou。