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Oct 08, 2023

Prédiction de la dureté Vickers à partir de méthodes d'apprentissage automatique

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 22475 (2022) Citer cet article 1445 Accès aux détails de 5 Altmetric Metrics La recherche de nouveaux matériaux ultra-durs présente un grand intérêt pour les conditions extrêmes.

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22475 (2022) Citer cet article

1445 Accès

5 Altmétrique

Détails des métriques

La recherche de nouveaux matériaux ultradurs présente un grand intérêt pour les applications industrielles extrêmes. Cependant, la prédiction théorique de la dureté reste un défi pour la communauté scientifique, compte tenu de la difficulté de modéliser le comportement plastique des solides. Différents modèles de dureté ont été proposés au fil des années. Pourtant, ils sont soit trop compliqués à utiliser, soit imprécis lors de l’extrapolation à une grande variété de solides, soit nécessitent des connaissances en codage. Dans cette enquête, nous avons construit un modèle d'apprentissage automatique réussi qui implémente le gradient boosting régresseur (GBR) pour prédire la dureté et utilise les propriétés mécaniques d'un solide (module de masse, module de cisaillement, module de Young et coefficient de Poisson) comme variables d'entrée. Le modèle a été formé avec une base de données expérimentale de dureté Vickers de 143 matériaux, garantissant différents types de composés. Les propriétés d'entrée ont été calculées à partir du tenseur élastique théorique. La base de données du Materials Project a été explorée pour rechercher de nouveaux matériaux ultra-durs, et nos résultats sont en bon accord avec les données expérimentales disponibles. D'autres modèles alternatifs pour calculer la dureté à partir des propriétés mécaniques sont également abordés dans ce travail. Nos résultats sont disponibles dans une application en ligne facile à utiliser et à accès gratuit, qui pourra être utilisée ultérieurement dans de futures études sur de nouveaux matériaux sur www.hardnesscalculator.com.

La dureté est une mesure de la résistance d'un matériau à une déformation plastique localisée. Au fil des années, plusieurs techniques d'essais de dureté (comme Brinell, Vickers, Knoop et Rockwell) ont été développées, et chacune a sa propre échelle. Cependant, le principe de base pour mesurer la dureté est d'enfoncer un pénétrateur dans la surface à tester dans des conditions de charge contrôlées. Plus l'indentation est grande, plus le matériau est mou. La profondeur et la taille de l'indentation sont ensuite converties en un indice de dureté. Dans ce travail, nous nous concentrerons sur la dureté Vickers, qui est l’une des techniques les plus populaires étant donné qu’elle est facile à calculer expérimentalement et peut être utilisée pour tous les matériaux, quelle que soit leur dureté. Le test de dureté Vickers utilise un très petit pénétrateur en diamant avec une géométrie pyramidale qui présente un angle de 136\(^\circ\) entre les faces planes de la pointe du pénétrateur. La mesure de la dureté Vickers est déterminée par le rapport suivant :

où F est la force appliquée (kgf) et d est la longueur moyenne de la diagonale laissée par le pénétrateur (mm).

La recherche de nouveaux matériaux présentant une dureté supérieure suscite depuis de nombreuses années un intérêt considérable au sein de la communauté scientifique1,2,3. Ces matériaux sont nécessaires dans les applications industrielles extrêmes, telles que les outils de coupe durs, les revêtements résistants à l'abrasion et à l'usure. Traditionnellement, le diamant, le nitrure de titane et le nitrure de bore cubique (c-BN) sont les matériaux préférés pour ces applications. Cependant, ils présentent des limites en raison de la différence de caractère de liaison chimique et de réactivité chimique. Par exemple, le diamant réagit avec le fer, et le processus de synthèse des deux premiers matériaux nécessite des conditions de pression et de température élevées, ce qui les rend coûteux4.

Les premières méthodes principales se sont révélées viables pour prédire de nombreuses propriétés physiques des matériaux. Parmi les nombreuses techniques existantes, la théorie fonctionnelle de la densité (TFD) se distingue par son approche pratique et utile pour résoudre les systèmes de matière condensée. La DFT est devenue un outil principal pour calculer les structures cristallines et les propriétés élastiques d'une large gamme de matériaux avec un succès remarquable lors de la comparaison des résultats avec l'expérience5. Cependant, prédire la dureté à partir de calculs ab initio n’est pas une tâche triviale. La dureté est une mesure de la résistance d'un solide à la déformation plastique6. Malgré son succès dans le calcul des propriétés élastiques, le DFT ne peut pas prédire directement le comportement plastique d'un solide.