本發(fā)明涉及非晶合金的非晶形成能力預(yù)測(cè)，具體而言，涉及一種基于二維灰度圖像的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
1、非晶合金作為先進(jìn)金屬材料體系，憑借其高強(qiáng)度、高耐蝕性和獨(dú)特物理特性，在精密儀器、電子信息等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。非晶形成能力（gfa）直接決定材料在工程制造中的可行性，該指標(biāo)越強(qiáng)意味著合金可在更低冷卻速率下形成穩(wěn)定非晶相，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件制備。然而，現(xiàn)有非晶合金普遍存在形成能力不足的缺陷，嚴(yán)重制約其在工業(yè)場(chǎng)景的規(guī)?；瘧?yīng)用。準(zhǔn)確評(píng)估非晶形成能力不僅是材料研發(fā)的關(guān)鍵前提，更是深化非晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知的重要突破口。
2、當(dāng)前非晶形成能力主要通過(guò)臨界冷卻速率和臨界鑄造直徑量化，但臨界冷卻速率的方案存在實(shí)驗(yàn)測(cè)定困難的技術(shù)瓶頸；盡管學(xué)界提出了基于玻璃轉(zhuǎn)變溫度（）、過(guò)冷液相區(qū)（）等熱力學(xué)參數(shù)的評(píng)估準(zhǔn)則，這些方法僅適用于特定合金體系、且預(yù)測(cè)精度有限；現(xiàn)有評(píng)估模型通過(guò)建立基礎(chǔ)物性參數(shù)與非晶形成能力的關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)測(cè)，但由于不同合金體系的元素組成差異顯著，其物性參數(shù)與非晶形成能力的映射關(guān)系存在明顯異質(zhì)性。加之實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布不均衡，導(dǎo)致模型泛化能力不足，難以實(shí)現(xiàn)多組元合金體系的普適性評(píng)估。
3、因此，亟需構(gòu)建融合多維物性參數(shù)的新型評(píng)估框架，通過(guò)強(qiáng)化特征關(guān)聯(lián)與模型適應(yīng)性突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)非晶形成能力預(yù)測(cè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于二維灰度圖像的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
2、獲取金屬合金的組成元素比例；所述組成元素比例為各組成元素在合金中的原子百分比，且滿足總和為100%的約束條件；
3、對(duì)所述組成元素比例進(jìn)行灰度圖像處理，生成組合二維灰度圖像；所述灰度圖像處理指：通過(guò)外積轉(zhuǎn)換方法將元素組成的一維向量轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像；
4、加載非晶形成能力預(yù)測(cè)模型，所述非晶形成能力預(yù)測(cè)模型由非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集訓(xùn)練后構(gòu)建生成，所述非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集包括非晶合金的組成元素比例對(duì)應(yīng)的二維灰度圖像和臨界鑄造直徑；
5、根據(jù)所述組合二維灰度圖像，輸出預(yù)測(cè)的臨界鑄造直徑信息。
6、其中，灰度圖像處理包括：
7、將組成元素比例進(jìn)行歸一化處理，使線性映射至[0，1]區(qū)間；
8、將所述歸一化處理后的比例值表示為k維向量，表示為：，其中，
9、是組成元素比例歸一化后的值，k為自然數(shù)，且 x 1到 x k元素的原子序數(shù)逐漸增大；
10、將與的轉(zhuǎn)置矩陣進(jìn)行外積運(yùn)算，生成k×k二維矩陣s，表示為：
11、
12、將所述二維矩陣s轉(zhuǎn)換為灰度圖像，所述灰度圖像的每個(gè)像素值為兩元素比例值的乘積。
13、將所述二維矩陣s轉(zhuǎn)換為灰度圖像包括：
14、將二維矩陣s的元素進(jìn)行歸一化；
15、歸一化后的每個(gè)元素值乘以255，生成灰度圖像。
16、其中，將二維矩陣s的元素進(jìn)行歸一化采用min-max方法實(shí)現(xiàn)，表示為：
17、，其中，為s元素中最小值、為s元素中最大值、為歸一化的結(jié)果。
18、進(jìn)一步的，加載非晶形成能力預(yù)測(cè)模型前，構(gòu)建所述非晶形成能力預(yù)測(cè)模型，包括：
19、準(zhǔn)備模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；其中，所述模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集和擴(kuò)展數(shù)據(jù)集構(gòu)成；所述非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集由非晶合金的組成元素比例生成的二維灰度圖像和對(duì)應(yīng)的臨界鑄造直徑構(gòu)成；將所述非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)展，模擬不同合金成分過(guò)渡狀態(tài)構(gòu)成擴(kuò)展數(shù)據(jù)集；
20、定義深度學(xué)習(xí)模型；所述深度學(xué)習(xí)模型為改進(jìn)的resnet18模型；
21、通過(guò)模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，構(gòu)建非晶形成能力評(píng)估模型。
22、將所述非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)展包括：
23、采用mixup策略線性混合隨意兩條樣本數(shù)據(jù)、的組成元素比例及其對(duì)應(yīng)標(biāo)簽，生成模擬不同合金成分過(guò)渡狀態(tài)的新樣本，其中，m、n為隨意樣本的序號(hào)；
24、采用高斯噪聲策略則向所述新樣本添加服從高斯分布的隨機(jī)噪聲，噪聲均值為0。
25、其中，新樣本的生成方法為：
26、
27、；
28、其中，和為隨機(jī)的兩個(gè)樣本，是從beta分布beta(a,a)中抽取的隨機(jī)數(shù)，滿足。
29、進(jìn)一步的，新樣本對(duì)的組成元素比例值進(jìn)行有效性約束，包括：。
30、進(jìn)一步的，深度學(xué)習(xí)模型的結(jié)構(gòu)包括：初始卷積層、步長(zhǎng)為2的最大池化層和全局平均池化層、inceptionblock模塊、全連接層、relu激活和dropout層；且深度學(xué)習(xí)模型包括四條主路徑和一個(gè)旁路，輸入特征并行經(jīng)過(guò)多個(gè)主路徑后，將各個(gè)主路徑的輸出在通道維度上連接，旁路將輸入傳遞到輸出用于殘差連接；若連接后的主路徑與旁路的輸出維度不相等，則將連接后的主路徑的輸出通過(guò)卷積控制通道數(shù)與旁路的輸出通道數(shù)匹配后進(jìn)行殘差連接；每個(gè)主路徑的cnn架構(gòu)和卷積核大小不同。
31、根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)外積圖像化表征元素交互作用，結(jié)合并行多尺度卷積與數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，無(wú)需人工特征工程即可實(shí)現(xiàn)非晶形成能力的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；通過(guò)本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)模型，可預(yù)測(cè)出包含較高gfa合金的區(qū)域和較低gfa合金的區(qū)域，便于研究人員首先從可能存在較高gfa合金的區(qū)域開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并避免在包含較低gfa合金的區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且不需要額外計(jì)算其他參數(shù)就能對(duì)合金的gfa進(jìn)行預(yù)測(cè)，極大降低了對(duì)特征工程的依賴。
1.一種基于二維灰度圖像的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述灰度圖像處理包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述將所述二維矩陣s轉(zhuǎn)換為灰度圖像包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述將二維矩陣s的元素進(jìn)行歸一化采用min-max方法實(shí)現(xiàn)，表示為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述加載非晶形成能力預(yù)測(cè)模型前，構(gòu)建所述非晶形成能力預(yù)測(cè)模型，包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述將所述非晶形成能力屬性數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)展包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述新樣本的生成方法為：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述新樣本對(duì)的組成元素比例值進(jìn)行有效性約束，包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述深度學(xué)習(xí)模型的結(jié)構(gòu)包括：初始卷積層、步長(zhǎng)為2的最大池化層和全局平均池化層、inceptionblock模塊、全連接層、relu激活和dropout層。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非晶形成能力預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述深度學(xué)習(xí)模型包括四條主路徑和一個(gè)旁路，輸入特征并行經(jīng)過(guò)多個(gè)主路徑后，將各個(gè)主路徑的輸出在通道維度上連接，旁路將輸入傳遞到輸出用于殘差連接；若連接后的主路徑與旁路的輸出維度不相等，則將連接后的主路徑的輸出通過(guò)1×1卷積控制通道數(shù)與旁路的輸出通道數(shù)匹配后進(jìn)行殘差連接；每個(gè)主路徑的cnn架構(gòu)和卷積核大小不同。