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摘要：氧化物彌散強化鋼（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多個數(shù)據(jù),，并使用420個項目進行機器學(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,。利用平均絕對誤差（MAE）,、均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（）來對比不同模型的優(yōu)劣,，從而選擇最佳模型，驗證材料性能的準確性,。結(jié)構(gòu)表明,，ML模型具有精確預(yù)測ODS鋼硬度和屈服強度的潛力，從而為新型ODS鋼的設(shè)計和優(yōu)化提供有價值的理論框架,。

研究方法：圖1顯示了整個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）,、多層感知機算法（MLP）、核嶺回顧算法（KRR）,、隨機森林回歸算法（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,、顆粒間距和體積分數(shù))和機械性能等信息,。

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?？梢钥吹?， 、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）和其體積分數(shù)（VF）之間存在線性相關(guān)性,。表明具有高線性相關(guān)性的兩個特征可以在某種程度上相互替代。

圖3. 隨機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)測準確性,。

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

圖5給出了不同模型在評估數(shù)據(jù)集上屈服強度的預(yù)測能力對比,。從圖中可以

看出,，XGB模型具有最佳的預(yù)測性能。

圖5. 不同ML模型關(guān)于屈服強度的預(yù)測,。

圖6給出了會影響硬度和屈服強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)對硬度以及屈服強度的影響有所差異。對硬度的影響顯著的是熱處理工藝,，而對屈服強度的影響的則是化學(xué)成分,。

圖6. 不同數(shù)據(jù)特征對硬度以及屈服強度影響的重要性順序。

圖7顯示了五種ODS鋼的維氏硬度的測量值和XGB模型預(yù)測值,，預(yù)測值與實驗測量值之間的誤差不大,，均在可接受的范圍內(nèi)。表2為屈服強度的測量值與預(yù)測值的對比,，誤差同意是可以接受的,。

圖7. 硬度的測量值與預(yù)測值對比。

表2. 屈服強度的測量值與預(yù)測值對比,。

結(jié)論：利用表征手段對ODS鋼中納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征,。然后評估了ML模型在硬度和屈服強度數(shù)據(jù)集上的預(yù)測性能。選擇最佳模型來驗證硬度和屈服強度的預(yù)測值和實驗值的準確性：

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

（2）熱處理工藝對硬度的影響很大,；化學(xué)成分對屈服強度的影響很大,。

（3）預(yù)測的硬度和屈服強度與相應(yīng)的實驗值吻合良好，證實了XGB模型預(yù)測力學(xué)性能的有效性,。研究有助于合金的設(shè)計與優(yōu)化,，從而開發(fā)出具有更好機械性能的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。