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Oct 08, 2023

Previsione della durezza Vickers da metodi di apprendimento automatico

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 22475 (2022) Cita questo articolo 1445 Accessi 5 Dettagli metriche altmetriche La ricerca di nuovi materiali superduri è di grande interesse per i settori estremi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22475 (2022) Citare questo articolo

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La ricerca di nuovi materiali superduri è di grande interesse per applicazioni industriali estreme. Tuttavia, la previsione teorica della durezza rappresenta ancora una sfida per la comunità scientifica, data la difficoltà di modellare il comportamento plastico dei solidi. Nel corso degli anni sono stati proposti diversi modelli di durezza. Tuttavia, sono troppo complicati da usare, imprecisi quando si estrapolano a un'ampia varietà di solidi o richiedono conoscenze di codifica. In questa indagine, abbiamo costruito un modello di apprendimento automatico di successo che implementa Gradient Boosting Regressor (GBR) per prevedere la durezza e utilizza le proprietà meccaniche di un solido (modulo di massa, modulo di taglio, modulo di Young e rapporto di Poisson) come variabili di input. Il modello è stato addestrato con un database sperimentale di durezza Vickers di 143 materiali, garantendo vari tipi di composti. Le proprietà di input sono state calcolate dal tensore elastico teorico. Il database del Materials Project è stato esplorato per cercare nuovi materiali superduri e i nostri risultati sono in buon accordo con i dati sperimentali disponibili. In questo lavoro vengono discussi anche altri modelli alternativi per calcolare la durezza dalle proprietà meccaniche. I nostri risultati sono disponibili in un'applicazione online di facile utilizzo e ad accesso gratuito da utilizzare ulteriormente in futuri studi su nuovi materiali su www.hardnesscalculator.com.

La durezza è una misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica localizzata. Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecniche di prova di durezza (come Brinell, Vickers, Knoop e Rockwell) e ciascuna ha la propria scala. Tuttavia, il principio di base per misurare la durezza è forzare un penetratore nella superficie da testare in condizioni di carico controllato. Maggiore è la rientranza, più morbido è il materiale. La profondità e la dimensione della rientranza vengono quindi convertite in un numero di durezza. In questo lavoro ci concentreremo sulla durezza Vickers, che è una delle tecniche più diffuse poiché è sperimentalmente facile da calcolare e può essere utilizzata per tutti i materiali indipendentemente dalla durezza. Il test di durezza Vickers utilizza un penetratore di diamante molto piccolo con una geometria piramidale che ha un angolo di 136\(^\circ\) tra le facce piane della punta del penetratore. La misura della durezza Vickers è determinata dal seguente rapporto:

dove F è la forza applicata (kgf) e d è la lunghezza media della diagonale lasciata dal penetratore (mm).

La ricerca di nuovi materiali con durezza superiore suscita da molti anni un notevole interesse nella comunità scientifica1,2,3. Questi materiali sono necessari in applicazioni industriali estreme, come utensili da taglio duri, rivestimenti resistenti all'abrasione e all'usura. Tradizionalmente, il diamante, il nitruro di titanio e il nitruro di boro cubico (c-BN) sono i materiali preferiti per queste applicazioni. Tuttavia, presentano limitazioni dovute alla differenza nel carattere del legame chimico e nella reattività chimica. Ad esempio, il diamante reagisce con il ferro e il processo di sintesi dei primi due materiali richiede condizioni di alta pressione e alta temperatura che li rendono costosi4.

I metodi del primo principio si sono dimostrati validi per prevedere molte proprietà fisiche dei materiali. Tra le molte tecniche esistenti, la teoria del funzionale della densità (DFT) si distingue per il suo approccio pratico e utile alla risoluzione dei sistemi di materia condensata. La DFT è diventata uno strumento primario per calcolare le strutture cristalline e le proprietà elastiche di un'ampia gamma di materiali con notevole successo quando si confrontano i risultati con gli esperimenti5. Tuttavia, prevedere la durezza dai calcoli ab initio non è un compito banale. La durezza è una misura della resistenza di un solido alla deformazione plastica6. Nonostante il suo successo nel calcolo delle proprietà elastiche, DFT non è in grado di prevedere direttamente il comportamento plastico di un solido.