異構(gòu)金屬材料因其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，在具有較高強(qiáng)度的同時仍然能保持良好的韌性，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)使其性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)設(shè)計變得非常困難。機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)在處理高維物理量之間的復(fù)雜非線性關(guān)系方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的能力，從而成為異構(gòu)金屬材料性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)設(shè)計的有力工具。介紹了異構(gòu)金屬材料的特征，總結(jié)了ML算法及其相關(guān)的數(shù)據(jù)處理問題，綜述了ML在異構(gòu)金屬材料性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，給出了ML輔助異構(gòu)金屬材料性能預(yù)測及結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

01

異構(gòu)金屬材料的特征

通過設(shè)計材料表面微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)或成分不均勻，構(gòu)筑組分間性能不協(xié)調(diào)界面而引發(fā)額外強(qiáng)化效應(yīng)的材料被稱為異構(gòu)金屬材料。異構(gòu)金屬材料中的組分分為“硬區(qū)”和“軟區(qū)”兩類，二者間的協(xié)同作用大大提高了材料的強(qiáng)度和韌性，甚至高于混合法的預(yù)測值。根據(jù)設(shè)計方法的不同，異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要分三類：控制組元的尺寸和結(jié)構(gòu)不同，如梯度結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)；在材料的晶體內(nèi)部引入孿晶等缺陷，如納米孿晶異構(gòu)；調(diào)控組成成分(包括相、元素等)不同，如異質(zhì)雙相結(jié)構(gòu)。異構(gòu)金屬材料主要通過上述調(diào)控方式來達(dá)到強(qiáng)韌均衡的目標(biāo)，這也使得異構(gòu)金屬材料具有較復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，為此引入了晶粒尺寸、軟硬區(qū)的體積分?jǐn)?shù)、異構(gòu)基元有序構(gòu)筑的梯度指數(shù)、異構(gòu)界面密度等結(jié)構(gòu)參量，如圖1所示。LIN等通過控制梯度指數(shù)利用電沉積法制備了強(qiáng)度和韌性都高于粗晶鎳的梯度結(jié)構(gòu)純鎳，并且發(fā)現(xiàn)了最佳晶粒尺寸分布曲線。ZHANG等通過機(jī)械球磨和火花等離子燒結(jié)工藝制備了一系列具有不同殼體積分?jǐn)?shù)的核殼結(jié)構(gòu)CoCrFeMnNi高熵合金，殼體積分?jǐn)?shù)在20%~40%的核殼結(jié)構(gòu)高熵合金表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-韌性協(xié)同作用和良好的抗低周疲勞性能。ZHANG等通過控制粗晶的空間分布，分析了具有雙峰尺寸分布的3種典型非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制，并且定量研究了不同結(jié)構(gòu)的界面與應(yīng)變硬化之間的關(guān)系。上述研究結(jié)果均通過改變微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)來探求最優(yōu)的材料性能，尋找各項參數(shù)與異構(gòu)材料綜合性能的關(guān)系，這為優(yōu)化異構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了幫助。

異構(gòu)金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)是基于其特殊的力學(xué)響應(yīng)而設(shè)計的：在加載過程中，異構(gòu)金屬材料中微區(qū)軟硬相之間的載荷傳遞引起了應(yīng)變不協(xié)調(diào)，在異質(zhì)界面處產(chǎn)生明顯的應(yīng)變梯度。應(yīng)變梯度需要幾何必需位錯(GNDs)來調(diào)節(jié)，并且?guī)缀伪匦栉诲e密度與應(yīng)變梯度正相關(guān)。幾何必需位錯的累積進(jìn)一步產(chǎn)生了背應(yīng)力，顯著增加了軟區(qū)的流動應(yīng)力，提高了材料的應(yīng)變硬化率；而硬區(qū)則產(chǎn)生背應(yīng)力的反作用力即前應(yīng)力。二者之間協(xié)調(diào)作用，耦合為異質(zhì)變形應(yīng)力。在韌性強(qiáng)化方面，異構(gòu)金屬材料在變形過程中會發(fā)生由幾何必需位錯引起的異質(zhì)塑性變形，同時存在幾何必需位錯與界面間相互作用以及幾何必需位錯特殊的運(yùn)動，這有利于塑性變形的離域化。累積的幾何必需位錯含量越高，由幾何必需位錯主導(dǎo)的異質(zhì)塑性變形占比越大。因此，異構(gòu)金屬材料在拉伸卸載-再加載過程中會形成力學(xué)遲滯環(huán)，韌性得到極大提高。此外，在拉伸變形時部分微區(qū)甚至呈現(xiàn)多軸應(yīng)力狀態(tài)，這促進(jìn)了位錯相互作用,誘導(dǎo)了額外的應(yīng)變硬化。這些力學(xué)效應(yīng)與材料微觀結(jié)構(gòu)特征參量的關(guān)系密不可分，對強(qiáng)度和韌性的提升也起著重要的作用。

在傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程中，通常需要尋求微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化機(jī)制的聯(lián)系，進(jìn)而采用高通量的試驗對異構(gòu)金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，逐步逼近金屬材料的強(qiáng)韌極限。利用試錯法來設(shè)計及研究異構(gòu)金屬材料需耗費(fèi)大量的人力物力，因此用理論計算為試驗結(jié)果做支撐，給設(shè)計找到突破口成為研究的熱點。然而這需要不斷完善本構(gòu)方程來保證建模和仿真計算的準(zhǔn)確性。早期科學(xué)家大多從試驗中建立宏觀的唯象本構(gòu)模型，對深入揭示材料變形內(nèi)在的物理機(jī)制缺乏認(rèn)識。例如，GURSON提出的多孔微觀模型利用宏觀流場分布和耗散積分為多孔延性材料開發(fā)提供屈服標(biāo)準(zhǔn)和流動規(guī)則。然而僅在宏觀尺度上建立的這類模型，很難用于研究在加載時材料微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及失效機(jī)理。隨著非線性有限元軟件的快速發(fā)展及晶體塑性理論的不斷成熟，描述材料微觀變形行為的本構(gòu)模型也在逐步發(fā)展中。LU等通過將納米梯度材料變形過程中的損傷演化和機(jī)械驅(qū)動晶粒生長納入本構(gòu)模型中，研究了微觀組織梯度在整體塑性響應(yīng)中的作用。ZHANG等引入與尺寸相關(guān)的異質(zhì)誘導(dǎo)硬化項來描述因異質(zhì)結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)的背應(yīng)力。黃春陽等提出率相關(guān)的Hadamard嵌入式晶界模型來研究雙晶或者多晶材料中孿晶的成核和擴(kuò)展及塑性變形模式。然而，有限元分析在處理多物理場耦合、多目標(biāo)優(yōu)化等復(fù)雜問題時較為困難，且計算成本高。ML可以先通過已有數(shù)據(jù)綜合分析學(xué)習(xí)，建立成分-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，然后對材料的設(shè)計空間進(jìn)行高速搜索，最后通過微觀精準(zhǔn)調(diào)控達(dá)到目標(biāo)性能。因此，利用ML指導(dǎo)異構(gòu)金屬材料微區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)性能優(yōu)化有著較高的研究價值與廣闊的應(yīng)用前景。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法

02

ML作為解決人工智能問題的主要方法發(fā)展極為迅速，已應(yīng)用于各行各業(yè)。ML算法大致可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)三類，如圖2所示。監(jiān)督學(xué)習(xí)所使用的數(shù)據(jù)具有標(biāo)簽，可以應(yīng)用在回歸與分類的任務(wù)中，在材料性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛。無監(jiān)督學(xué)習(xí)所使用的數(shù)據(jù)沒有標(biāo)簽，因此也難以量化效果，主要應(yīng)用于聚類算法與降維算法。強(qiáng)化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)智能體與環(huán)境的交互，目標(biāo)是獲取最大的長期收益。

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用場景

線性回歸(LR)是最簡單的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，通過最小化均方誤差損失函數(shù)來獲得輸入與輸出之間的線性關(guān)系。當(dāng)輸入特征數(shù)量增加時，可以將線性回歸推廣到多項式回歸。對于分類任務(wù)，不再是預(yù)測特征與標(biāo)簽之間一一對應(yīng)的精確值，而是根據(jù)特征將一條數(shù)據(jù)劃分為預(yù)定好的一個類別，因此處理分類問題一般選用交叉熵?fù)p失函數(shù)。為了更好地應(yīng)對非線性問題，提出了支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、高斯過程回歸等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這些算法可以勝任回歸和分類任務(wù)。在預(yù)測材料性能時，高維物理量之間復(fù)雜的非線性關(guān)系難以通過計算獲得經(jīng)驗解。上述監(jiān)督學(xué)習(xí)算法為這一問題提供了一種替代方法。LIU等基于決策樹、梯度提升樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用試樣尺寸、裂紋尖端因子并結(jié)合物理模型預(yù)測了多晶硅的斷裂韌性。LUO等使用線性回歸、支持向量機(jī)、核嶺回歸算法，綜合考慮最大孔徑、孔隙數(shù)、孔隙位置以及彎曲疲勞應(yīng)力幅，預(yù)測了增材制造鉻鎳鐵合金的疲勞壽命。異構(gòu)金屬材料具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)特征。GONG等從熱力學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合晶粒的拓?fù)鋷缀魏徒y(tǒng)計分析，討論了雙峰微觀結(jié)構(gòu)的熵衰變，建立線性回歸模型，根據(jù)平均晶粒表面積預(yù)測了單位微觀結(jié)構(gòu)熵、平均晶粒周長和平均晶粒體積。

無監(jiān)督學(xué)習(xí)中聚類算法與降維算法更多被應(yīng)用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段。經(jīng)典的聚類算法有K-Means、DBSACN等，這些算法所使用的數(shù)據(jù)沒有標(biāo)簽，即在訓(xùn)練之前不會為數(shù)據(jù)指定類別，僅通過計算使得同一個簇內(nèi)的對象相似性盡可能大。GAN等在訓(xùn)練模型之前，首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理，為模型訓(xùn)練尋找具有代表性的數(shù)據(jù)，以此來提高模型的預(yù)測精度。降維算法是指將一組沒有標(biāo)簽的特征通過線性變換，從高維空間投影到具有最大方差的低維空間中的方法。過多的特征會降低模型的預(yù)測能力，尤其是當(dāng)特征相關(guān)性較高時；可以用主成分分析算法減少特征數(shù)量。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練目標(biāo)是探索未知領(lǐng)域并尋找到與現(xiàn)有知識之間的平衡。JIN等使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型學(xué)習(xí)不同工況下的疲勞裂紋發(fā)展模式，智能體在交互過程中學(xué)會了通過改變應(yīng)力角和應(yīng)力頻率控制裂紋擴(kuò)展方向與速率。強(qiáng)化學(xué)習(xí)還可用于設(shè)計多級復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),尋找具有最佳力學(xué)性能的復(fù)合材料。

2.2 深度學(xué)習(xí)

上述ML算法在處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)方面取得了很好的成果，但是在處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(圖像等)方面的效果卻不盡人意。監(jiān)督學(xué)習(xí)中的一個分支——深度學(xué)習(xí)在近10a來得到了更多科學(xué)家的關(guān)注。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以視為最簡單的深度學(xué)習(xí)模型。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)2種深度學(xué)習(xí)模型可以很好地處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并且分別在計算機(jī)視覺與自然語言處理領(lǐng)域取得了重大突破。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于1980年被首次提出。不同于全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過一定尺寸的濾波器與圖像中的像素進(jìn)行卷積運(yùn)算，因此在處理圖像數(shù)據(jù)時可以避免因向量展開而丟失空間信息，同時還可減少訓(xùn)練參數(shù)。金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)決定著性能；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以捕獲到微觀結(jié)構(gòu)中一些細(xì)微的特征從而高效地進(jìn)行性能預(yù)測、目標(biāo)檢測、結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作。KAUFMANN等使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功地在低質(zhì)量甚至不完整背散射電子衍射(EBSD)圖像中識別到不同的相。JHA等使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確獲取 EBSD圖像中的晶粒取向，誤差僅有0.548°。JIA等使用包含各種強(qiáng)化信息的能帶對比圖、晶界圖、位錯密度圖作為輸入端建立卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對馬氏體鋼的硬度進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測。

使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理具有序列特性的數(shù)據(jù)非常有效。長短期記憶網(wǎng)絡(luò)引入記憶門與遺忘門，門控循環(huán)單元引入重置門與更新門，這兩種常用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以長時間記憶有用信息。在材料設(shè)計領(lǐng)域，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用于解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、復(fù)雜壽命預(yù)測、裂紋擴(kuò)展方向預(yù)測等問題。

傳統(tǒng)ML模型的建立需要對一些特征抽象化，以建立與設(shè)計目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。在建立異質(zhì)結(jié)構(gòu)中各種結(jié)構(gòu)參數(shù)與強(qiáng)韌性之間的關(guān)系時，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在晶粒排布方式、晶粒形狀等難以被參數(shù)化的特征；而使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種深度學(xué)習(xí)模型可以從晶相圖中快速提取這部分信息從而完成設(shè)計，甚至尋找到前所未有的高性能異構(gòu)金屬材料。此外，對于一些多步加載情況下的壽命預(yù)測問題，傳統(tǒng)ML算法難以捕捉到不同加載順序下的時間特征，但是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻非常擅長處理這類數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的力量，使用深度學(xué)習(xí)輔助性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)設(shè)計是未來的一個重要探索方向。

03

數(shù)據(jù)處理

ML是一類數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，足夠的數(shù)據(jù)量是ML模型工作的先決條件。當(dāng)具有一定量的數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)數(shù)據(jù)量選擇合適的ML模型：數(shù)據(jù)量較少時，適合使用邏輯回歸、樸素貝葉斯等簡單算法，或者支持向量機(jī)等稀疏模型；數(shù)據(jù)量中等或較多時，適合使用樹模型，例如隨機(jī)森林、極端梯度提升樹等；數(shù)據(jù)量很大時，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型表現(xiàn)更優(yōu)。

有關(guān)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能預(yù)測的數(shù)據(jù)，可以由開放數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)、試驗、仿真等方式獲取。此外，輸入數(shù)據(jù)的預(yù)處理也是至關(guān)重要的一步。有關(guān)異構(gòu)金屬材料設(shè)計的ML數(shù)據(jù)處理方法需著重討論特征選擇和數(shù)據(jù)增強(qiáng)。

3.1 特征選擇

只有當(dāng)選用的特征合理時才能獲得一個較好的ML模型。評判一組特征的好壞通常可以從以下3個方面考慮：特征與標(biāo)簽相關(guān)程度的高低；特征彼此之間的相關(guān)性；特征是否容易獲取。首先，只有當(dāng)特征與標(biāo)簽具有一定的物理關(guān)系時，才能獲得一個合理的ML模型，例如疲勞試驗的應(yīng)力幅等參數(shù)與疲勞壽命就是一組合理的特征與標(biāo)簽。其次，特征之間相關(guān)性較高會產(chǎn)生大量冗余信息，降低模型的訓(xùn)練效率。最后，如果特征獲取困難，勢必?zé)o法獲得足夠的數(shù)據(jù)量，并且使整個設(shè)計過程的成本增加。

除了物理關(guān)系外，特征的選擇還包含過濾(filter)、封裝(wrapper)、嵌入(embedded)3種思路。過濾主要通過數(shù)學(xué)方法計算皮爾遜系數(shù)(PCC)、最大互信息系數(shù)(MIC)等特征與標(biāo)簽的相關(guān)程度。ZHANG等分別計算了皮爾遜系數(shù)與最大互信息系數(shù)與疲勞壽命的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小將特征分為3組來分別訓(xùn)練ML模型。分裝是指每次使用不同的特征子集訓(xùn)練模型，輸出模型的準(zhǔn)確度，根據(jù)每次選用的不同特征子集造成的模型誤差來確定每個特征的 最 終 貢 獻(xiàn) 率。PENG等在分析不同缺陷參數(shù)對疲勞壽命的影響時，首先計算了不同缺陷特征之間的皮爾遜系數(shù)，確保特征之間的獨(dú)立性，然后訓(xùn)練隨機(jī)森林，查看某個特征在隨機(jī)森林中增加或減少時模型均方誤差的變化，以此確定不同缺陷特征的重要性，最后去除不重要特征，從而進(jìn)一步提升疲勞壽命預(yù)測模型的精度。嵌入則使用模型訓(xùn)練得到的特征權(quán)重來篩選特征，主要方法為正則化，LASSO便是代表算法之一。

當(dāng)待選特征數(shù)量特別大時，也可以使用啟發(fā)式搜索算法，例如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，其基本流程為隨機(jī)挑選若干特征作為初始種群，訓(xùn)練ML模型，將模型準(zhǔn)確度設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，多次迭代尋找最優(yōu)特征子集。

3.2 數(shù)據(jù)增強(qiáng)

當(dāng)模型的特征選定后，可能還面臨著數(shù)據(jù)量不足的問題。由于異構(gòu)金屬材料制備所需時間長、成本高，通過試驗得到所需要的數(shù)據(jù)較為困難，而通過數(shù)值模擬所獲取的數(shù)據(jù)可能因為缺少噪聲數(shù)據(jù)，使得模型的泛化能力下降。基于此，可以考慮通過數(shù)據(jù)增強(qiáng)的手段來獲得足夠模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量。

對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可采用虛擬樣本生成技術(shù)，如整體趨勢擴(kuò)散技術(shù)(MTD)、蒙特卡洛模擬(MCs)進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)。一些小樣本學(xué)習(xí)問題使用整體趨勢擴(kuò)散技術(shù)生成虛擬樣本，使用尋優(yōu)算法篩選有益樣本，從而有效提高小數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型的精度。對于增材制造Ti-6Al-4V合金的疲勞數(shù)據(jù)難以獲取的問題，LI等通過蒙特卡洛模擬擴(kuò)大數(shù)據(jù)集規(guī)模，構(gòu)造并訓(xùn)練反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測疲勞壽命，由于利用了更大數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，模型的適用性和泛化能力獲得了大幅提高。

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的增強(qiáng)方法也是近些年的研究熱點。對于圖像，可以對訓(xùn)練集圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、鏡像、剪切等變換來獲得新的數(shù)據(jù)，同時修改圖片顏色也是數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法之一。在計算機(jī)視覺領(lǐng)域識別物體時可能有很多干擾因素，但是在材料設(shè)計領(lǐng)域，圖像更多通過掃描電鏡(SEM)、EBSD等獲取，這類顯微結(jié)構(gòu)圖像往往具有豐富的相關(guān)信息。因此，即使數(shù)據(jù)量少于計算機(jī)視覺領(lǐng)域，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍然能出色地完成圖像特征提取任務(wù)。非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)增強(qiáng)還可使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)來進(jìn)行。生成對抗網(wǎng)絡(luò)包含生成模型和判別模型2個模型，生成模型不斷生成與真實數(shù)據(jù)相似的數(shù)據(jù)，判別模型做出最終預(yù)測。生成模型是天然的數(shù)據(jù)增強(qiáng)器，但是當(dāng)真實樣本過少，無法體現(xiàn)樣本真實分布時，生成對抗網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)效果可能會不理想。經(jīng)過良好訓(xùn)練的生成對抗網(wǎng)絡(luò)還可生成大量錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這也成為了發(fā)現(xiàn)新型超材料的一個契機(jī)。

ML輔助異構(gòu)金屬材料設(shè)計

04

異構(gòu)金屬材料中復(fù)雜的強(qiáng)化機(jī)制尚未被完全挖掘，基于當(dāng)下的數(shù)學(xué)模型也很難對其性能作出準(zhǔn)確預(yù)測。金屬材料的設(shè)計需要從性能出發(fā)，經(jīng)過設(shè)計-制備-測試等繁瑣的流程才能最終得到具有目標(biāo)性能的材料。雖然在之前的工作中，通過傳統(tǒng)試驗方式尋找新一代強(qiáng)韌均衡的異構(gòu)金屬材料已取得不錯的成果，但是這不僅耗費(fèi)時間，成本也相當(dāng)昂貴。ML可以使用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，快速構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)、成分和性能的鏈接。隨著深度學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法的發(fā)展，人們可以進(jìn)一步借助高精準(zhǔn)度的ML模型優(yōu)化工藝參數(shù)并設(shè)計新材料。然而，大多數(shù)ML模型屬于“黑盒”模型，無法得到輸入與輸出之間顯性的關(guān)系式；但是異質(zhì)結(jié)構(gòu)中部分增韌機(jī)制已經(jīng)被多次證實，將這些增韌機(jī)制的物理信息與ML模型相結(jié)合，有目標(biāo)地選取特征參數(shù)，或者修改底層算法，可以在一定程度上改善模型的這種不可解釋性，同時還能得到更高精度的性能預(yù)測與更精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.1 雙峰結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能預(yù)測

雙峰結(jié)構(gòu)是指材料晶粒尺寸呈雙峰分布，即粗晶與細(xì)晶的體積分?jǐn)?shù)有各自明顯峰值的結(jié)構(gòu)。研究表明，雙峰結(jié)構(gòu)同時具有高強(qiáng)度與高韌性，細(xì)晶與超細(xì)晶組織為材料提供了高強(qiáng)度，微米級的大晶粒則有助于延展性的提高。引入雙峰晶粒分布是實現(xiàn)材料強(qiáng)韌均衡的途徑之一，但是目前通過試驗改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來尋找性能更優(yōu)的雙峰結(jié)構(gòu)材料仍然成本極高，而使用數(shù)值模擬方法計算雙峰結(jié)構(gòu)材料的性能是提高設(shè)計效率的一種方式。ML算法為尋找性能更優(yōu)的雙峰結(jié)構(gòu)開辟了一條新的道路，并且相較于數(shù)值模擬其效率更高。

MATSUMOTO等通過試驗分析和ML方法，研究了Ti-17合金的拉伸性能和硬度，發(fā)現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)使該合金在強(qiáng)度和韌性方面取得了很好的平衡。WANG等建立了一種小樣本學(xué)習(xí)的ML模型，采用細(xì)晶尺寸、粗細(xì)晶尺寸比、粗晶體積分?jǐn)?shù)等特征參數(shù)預(yù)測不同微結(jié)構(gòu)雙峰結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度與延展性；由于試驗數(shù)據(jù)獲取較為困難，因此在這項工作中結(jié)合了晶體塑性有限元模擬來獲得一部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)，此外還用整體趨勢擴(kuò)散技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)集來保證模型的泛化能力；所采用的基于整體趨勢擴(kuò)散技術(shù)樣本增強(qiáng)訓(xùn)練的極限學(xué)習(xí)機(jī)模型的預(yù)測精度高于其他ML模型，使用優(yōu)化算法結(jié)合效果最優(yōu)的極限學(xué)習(xí)機(jī)模型得到了雙峰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌性Pareto前沿圖，證明了通過構(gòu)筑雙峰結(jié)構(gòu)可以使低碳鋼的強(qiáng)韌曲線拓維；通過分析雙峰結(jié)構(gòu)Pareto前沿圖高延性區(qū)、高強(qiáng)度區(qū)和強(qiáng)度與延性平衡區(qū)3個區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到各自力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計圖。

4.2 主動學(xué)習(xí)擴(kuò)大梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計空間

梯度結(jié)構(gòu)(GS)屬于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一類，廣泛存在于生物結(jié)構(gòu)中。梯度納米材料(GNS)晶粒尺寸從表面的納米尺度到中心的微米尺度呈梯度增大，其表面的納米晶決定材料的整體強(qiáng)度，而材料整體塑性由心部的粗晶決定，因此梯度結(jié)構(gòu)材料同時具有高強(qiáng)度和高延展性。然而，目前仍然存在不少的問題阻礙著梯度納米材料的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，例如：無法確定晶?？刂铺荻冉Y(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)；是否存在一種特定的梯度結(jié)構(gòu)使其力學(xué)性能大幅度優(yōu)化。使用分子動力學(xué)尋找力學(xué)性能更優(yōu)異的梯度結(jié)構(gòu)材料雖也取得了一定的成果，但是僅依靠分子動力學(xué)探索設(shè)計空間是極其消耗計算成本的。

CHEN等提出了一個梯度納米材料設(shè)計空間探索框架，該框架集成了原子模擬、基于高斯過程回歸的主動學(xué)習(xí)代理建模以及梯度納米材料設(shè)計和創(chuàng)新優(yōu)化：先利用計算成本較高的分子動力學(xué)生成高保真樣本點，然后建立基于高斯過程的主動學(xué)習(xí)代理模型以建立梯度結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。這項工作還使用了分子動力學(xué)揭示了晶粒和孿晶梯度對強(qiáng)度和變形機(jī)制的綜合效應(yīng)，結(jié)果顯示梯度納米材料的強(qiáng)度隨孿晶梯度增加而增大，并且存在一個使強(qiáng)度最大化的臨界晶粒梯度，在臨界晶粒梯度以上的脫孿誘導(dǎo)的軟化機(jī)制會占據(jù)主導(dǎo)地位，強(qiáng)度會隨晶粒梯度增大而降低。

4.3 多級結(jié)構(gòu)設(shè)計

天然生物材料具有的優(yōu)異力學(xué)性能與其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。研究人員受到生物材料的啟發(fā)，通過模仿生物結(jié)構(gòu)來獲得更強(qiáng)韌的材料。多級結(jié)構(gòu)作為一種仿生異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有非常高的韌性，但是多級結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計空間極大，傳統(tǒng)優(yōu)化方法很難求解大量待優(yōu)化參數(shù)以及探索極大設(shè)計空間。經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型，不僅可以快速預(yù)測由各向異性胞結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二維多級結(jié)構(gòu)性能，而且可以用來探索性能更優(yōu)異的多級結(jié)構(gòu)材料。

GU等使用具有各向異性的3種單元格族構(gòu)建不同微結(jié)構(gòu)，通過有限元模擬獲得每個微結(jié)構(gòu)的韌性，具體方法：將微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單元胞構(gòu)建塊的數(shù)據(jù)矩陣，將此矩陣作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，韌性作為預(yù)測輸出。ML模型僅經(jīng)過1000次訓(xùn)練，就尋找到韌性超過訓(xùn)練數(shù)據(jù)的新結(jié)構(gòu)；經(jīng)過10h訓(xùn)練超過106次后，ML模型訓(xùn)練集與測試集的歸一化均方根誤差分別為0.2978與0.4926，即模型可以準(zhǔn)確預(yù)測多級結(jié)構(gòu)材料的韌性，并且不存在過擬合現(xiàn)象；ML可以在幾秒內(nèi)計算數(shù)億個微結(jié)構(gòu)的性能，并且尋找到的多級結(jié)構(gòu)韌性參數(shù)超過訓(xùn)練數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)的2倍以上。上述研究展示出深度學(xué)習(xí)算法在異構(gòu)金屬材料設(shè)計中的巨大潛力。深度學(xué)習(xí)結(jié)合有限元模擬的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不僅可以準(zhǔn)確地預(yù)測多級結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，還能夠產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)從而獲得更強(qiáng)韌的材料。

4.4 脆性金屬斷裂預(yù)測

由于塑性較差的材料在斷裂前不發(fā)生或僅發(fā)生少量宏觀塑性變形，因此很難對其進(jìn)行預(yù)測。目前，預(yù)測裂紋擴(kuò)展方向的方法主要包括擴(kuò)展有限元(XFEM)、相場模型、內(nèi)聚力模型等，但是這些方法的計算成本較高，且無法在短時間內(nèi)獲得準(zhǔn)確結(jié)果。ML模型經(jīng)過訓(xùn)練也可用于脆性斷裂預(yù)測。WANG等使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，并且其預(yù)測精度高于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于預(yù)測脆性斷裂裂紋擴(kuò)展時的效果較好，這得益于其無需結(jié)構(gòu)化的參數(shù)以及處理序列信息的強(qiáng)大能力。帶有卷積層的長短期記憶網(wǎng)絡(luò) (Conv-LSTM)在 這 方 面 取 得 了 一 定 的 成果，其具體流程如下：先使用分子動力學(xué)預(yù)測脆性斷裂位置，隨后將所獲得的裂紋擴(kuò)展圖像信息作為訓(xùn)練集訓(xùn)練ML模型，從中學(xué)習(xí)裂紋擴(kuò)展模式。這一模型較為準(zhǔn)確地預(yù)測了裂紋在2個晶粒中擴(kuò)展的位置，以及晶粒取向梯度變化材料中的裂紋擴(kuò)展方向。這一研究對于預(yù)防脆性斷裂的發(fā)生以及抗脆性斷裂材料的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

05

結(jié)束語

基于ML的異構(gòu)金屬材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能預(yù)測已經(jīng)取得了初步成果，隨著新一代深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，異構(gòu)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)對宏觀非線性本構(gòu)行為的影響機(jī)制的探索工作也在逐步開展。ML算法可以將多場耦合作用引入到材料精準(zhǔn)設(shè)計流程，使材料結(jié)構(gòu)設(shè)計更加符合需求。但是，目前所使用的方法仍然存在局限性。在ML推動加速異構(gòu)金屬材料性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)設(shè)計、揭示強(qiáng)韌機(jī)理方面，未來的發(fā)展方向包括以下幾個方面。

(1)融合物理知識。目前ML算法僅依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動，即采用輸入-訓(xùn)練-預(yù)測的模式，缺少物理知識指導(dǎo)，其模型的實用性有待商榷，甚至有可能與現(xiàn)實違背，同時模型得到的結(jié)論仍然需要大量試驗來驗證。因此，需明確經(jīng)過訓(xùn)練的ML模型適用的物理范圍，并在模型中針對性地融入基于物理機(jī)制的內(nèi)變量邊界條件或額外的變形機(jī)制等，使模型輸出結(jié)果符合常識。此外，還應(yīng)從更底層的材料變形本征機(jī)制出發(fā)，將彈塑性變形物理機(jī)制納入ML模型中，基于此可以將異質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和均勻結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相結(jié)合來訓(xùn)練ML模型，并明晰各強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)。

(2)小樣本學(xué)習(xí)。直接從數(shù)據(jù)庫獲取材料特征是短時間內(nèi)獲取大量數(shù)據(jù)的方式，但是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一般難以滿足異構(gòu)金屬材料設(shè)計所需要的全部信息，并且最新研究成果無法及時納入數(shù)據(jù)庫。建立在線數(shù)據(jù)庫，及時共享完整數(shù)據(jù)，將有助于新模型的快速建立。如何高效地從論文中搜集和篩選數(shù)據(jù)也是未來的一個研究熱點。主動學(xué)習(xí)的代理模型可以用來指導(dǎo)試驗，節(jié)省試驗時間，從而在一定程度上解決數(shù)據(jù)量少的問題。此外，需進(jìn)一步發(fā)展虛擬樣本生成技術(shù)以提高模型精度。

(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)編碼。異構(gòu)金屬材料優(yōu)異的力學(xué)性能得益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因此在建立模型時需要將該結(jié)構(gòu)科學(xué)地轉(zhuǎn)換為可供ML模型訓(xùn)練的特征參數(shù)。晶粒平均尺寸、晶粒尺寸分布信息等都可作為結(jié)構(gòu)參數(shù)使用，但晶粒分布方式等復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)編碼比較困難。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有識別二維圖像中異質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界特征的能力，兩點相關(guān)性分析也具有該能力，將二者結(jié)合可以有效提高抽象結(jié)構(gòu)參數(shù)編碼的能力?，F(xiàn)實中三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二維圖像，這使得從微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計到實際工程應(yīng)用還需要長時間的努力。
責(zé)任編輯：彭菁