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Oct 08, 2023

Previsão de dureza Vickers a partir de métodos de aprendizado de máquina

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22475 (2022) Citar este artigo 1445 Acessos 5 Detalhes da Altmetric Metrics A busca por novos materiais superduros é de grande interesse para condições extremas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22475 (2022) Citar este artigo

1445 acessos

5 Altmétrico

Detalhes das métricas

A busca por novos materiais superduros é de grande interesse para aplicações industriais extremas. Contudo, a previsão teórica da dureza ainda é um desafio para a comunidade científica, dada a dificuldade de modelar o comportamento plástico dos sólidos. Diferentes modelos de dureza foram propostos ao longo dos anos. Ainda assim, eles são muito complicados de usar, imprecisos ao extrapolar para uma ampla variedade de sólidos ou requerem conhecimento de codificação. Nesta investigação, construímos um modelo de aprendizado de máquina bem-sucedido que implementa Gradient Boosting Regressor (GBR) para prever a dureza e usa as propriedades mecânicas de um sólido (módulo de volume, módulo de cisalhamento, módulo de Young e índice de Poisson) como variáveis ​​de entrada. O modelo foi treinado com um banco de dados experimental de dureza Vickers de 143 materiais, garantindo vários tipos de compostos. As propriedades de entrada foram calculadas a partir do tensor elástico teórico. O banco de dados do Projeto de Materiais foi explorado em busca de novos materiais superduros, e nossos resultados estão de acordo com os dados experimentais disponíveis. Outros modelos alternativos para calcular a dureza a partir de propriedades mecânicas também são discutidos neste trabalho. Nossos resultados estão disponíveis em um aplicativo on-line de acesso gratuito e fácil de usar para serem utilizados em estudos futuros de novos materiais em www.hardnesscalculator.com.

A dureza é uma medida da resistência de um material à deformação plástica localizada. Ao longo dos anos, diversas técnicas de testes de dureza (como Brinell, Vickers, Knoop e Rockwell) foram desenvolvidas, e cada uma tem sua própria escala. No entanto, o princípio básico para medir a dureza é forçar um penetrador na superfície a ser testada sob condições de carga controlada. Quanto maior o recuo, mais macio é o material. A profundidade e o tamanho do recuo são então convertidos em um número de dureza. Neste trabalho focaremos na dureza Vickers, que é uma das técnicas mais populares, visto que é experimentalmente fácil de calcular e pode ser usada para todos os materiais, independentemente da dureza. O teste de dureza Vickers usa um penetrador de diamante muito pequeno com uma geometria piramidal que possui um ângulo de 136\(^\circ\) entre as faces planas da ponta do penetrador. A medição da dureza Vickers é determinada pela seguinte relação:

onde F é a força aplicada (kgf) e d é o comprimento médio da diagonal deixada pelo penetrador (mm).

A busca por novos materiais com dureza superior tem gerado considerável interesse na comunidade científica há muitos anos1,2,3. Esses materiais são necessários em aplicações industriais extremas, como ferramentas de corte duro, abrasão e revestimentos resistentes ao desgaste. Tradicionalmente, o diamante, o nitreto de titânio e o nitreto cúbico de boro (c-BN) são os materiais preferidos para estas aplicações. No entanto, eles apresentam limitações devido à diferença no caráter da ligação química e na reatividade química. Por exemplo, o diamante reage com o ferro, e o processo de síntese dos dois primeiros materiais requer condições de alta pressão e alta temperatura, tornando-os dispendiosos4.

Os métodos do primeiro princípio demonstraram ser viáveis ​​para prever muitas propriedades físicas dos materiais. Entre muitas técnicas existentes, a teoria do funcional da densidade (DFT) destaca-se pela sua abordagem prática e útil para resolver sistemas de matéria condensada. A DFT tornou-se uma ferramenta primária para calcular estruturas cristalinas e propriedades elásticas de uma ampla gama de materiais, com notável sucesso quando se comparam os resultados com experimentos5. No entanto, prever a dureza a partir de cálculos ab initio não é uma tarefa trivial. A dureza é uma medida da resistência de um sólido à deformação plástica6. Apesar de seu sucesso no cálculo de propriedades elásticas, o DFT não pode prever diretamente o comportamento plástico de um sólido.