材料信息技術(shù)（MI）因有助于高效率材料開(kāi)發(fā)而受到關(guān)注。日本神戶(hù)制鋼公司在進(jìn)行各種金屬材料開(kāi)發(fā)和使用技術(shù)開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用以AI和模擬技術(shù)為代表的MI技術(shù)。其代表性的事例有，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用AI技術(shù)對(duì)焊接材料和薄鋼板性能預(yù)測(cè)，調(diào)整化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件，以得出達(dá)到目標(biāo)性能材料的事例和應(yīng)用MI技術(shù)使用少量實(shí)施例即可獲得材料專(zhuān)利的事例。本文對(duì)這兩個(gè)事例做了簡(jiǎn)要解說(shuō)。此外，神戶(hù)制鋼還進(jìn)行了構(gòu)建評(píng)價(jià)厚鋼板、銅合金的原子級(jí)材料組織和性能、部件加工性的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。本文對(duì)此也做了簡(jiǎn)要介紹。本文最后對(duì)MI的擴(kuò)大應(yīng)用進(jìn)行了展望。
1前言
在構(gòu)建碳中和社會(huì)的環(huán)境下，對(duì)材料和部件的要求出現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化、高端化的趨勢(shì)。材料和部件的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。因此，需要推進(jìn)高效率新材料開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究。
傳統(tǒng)的材料開(kāi)發(fā)主流模式依存于試驗(yàn)、理論和研究者經(jīng)驗(yàn)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力。近年來(lái)，解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)新的材料開(kāi)發(fā)方法，材料信息技術(shù)（MI）受到關(guān)注。2011年美國(guó)的材料基因組計(jì)劃首先提出了MI，2010年代中期，日本的信息集成型物質(zhì)材料研發(fā)計(jì)劃（MI2I）和研究結(jié)構(gòu)材料的SIP-MI等國(guó)家項(xiàng)目，對(duì)MI進(jìn)行了基礎(chǔ)新研究。此后，材料制造廠(chǎng)也進(jìn)行應(yīng)用MI的材料開(kāi)發(fā)，此外，信息技術(shù)提供商也開(kāi)始提供各種服務(wù)，使MI的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不斷擴(kuò)大。神戶(hù)制鋼實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的一項(xiàng)措施是進(jìn)行利用MI的材料開(kāi)發(fā)。
MI中包括將AI/機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的信息科學(xué)用于材料科學(xué)的材料信息學(xué)和SIP-MI提出的試驗(yàn)、理論、計(jì)算/模擬與信息科學(xué)融合的材料集成理念。代表性的應(yīng)用MI的材料開(kāi)發(fā)方法有，從獲得實(shí)現(xiàn)象的演繹入手，構(gòu)建物理模型，利用模擬方法，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行材料開(kāi)發(fā)的方法和從歸納入手，利用AI對(duì)試驗(yàn)和模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出化學(xué)成分與材料性能的關(guān)系的方法。
模擬技術(shù)包括利用第一原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行的原子級(jí)的微觀計(jì)算、利用冶金理論和相場(chǎng)法進(jìn)行的材料組織、性能的介觀尺度計(jì)算、對(duì)部件加工性和強(qiáng)度性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的有限元（FEM）宏觀計(jì)算和相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。AI技術(shù)中常用的技術(shù)有，根據(jù)設(shè)計(jì)信息用線(xiàn)性回歸、高斯過(guò)程回歸、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等對(duì)材料性能預(yù)測(cè)模型（正問(wèn)題解析）回歸，進(jìn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的技術(shù)和用貝葉斯優(yōu)化技術(shù)對(duì)達(dá)到要求的材料性能的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行優(yōu)化，探索問(wèn)題解（逆問(wèn)題解析）的技術(shù)。
神戶(hù)制鋼進(jìn)行了鋼鐵、鋁合金、銅合金、焊接材料等各種金屬材料的化學(xué)成分和制造工藝的研究，開(kāi)發(fā)出各種要求性能的材料。并進(jìn)行了將材料加工為部件和保證部件性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等材料應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。在各種金屬材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，適宜地使用了MI技術(shù)（圖1）。本文首先介紹神戶(hù)制鋼基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)用AI預(yù)測(cè)材料性能，調(diào)整化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件進(jìn)行焊接材料開(kāi)發(fā)的事例，其次介紹薄鋼板開(kāi)發(fā)的事例。最后介紹構(gòu)建微觀、宏觀各尺度模擬模型并與AI組合進(jìn)行厚鋼板、銅合金開(kāi)發(fā)和銅合金材料應(yīng)用的事例。
2利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和AI進(jìn)行焊接材料開(kāi)發(fā)
下面介紹的事例是，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用AI學(xué)習(xí)材料性能預(yù)測(cè)模型，探索具有優(yōu)良強(qiáng)韌性的電弧焊用藥芯焊絲。
圖2是該事例開(kāi)發(fā)的利用AI進(jìn)行預(yù)測(cè)、探索技術(shù)的概略圖。傳統(tǒng)的焊接材料的開(kāi)發(fā)是考慮下述①～④的關(guān)系進(jìn)行開(kāi)發(fā)。①原材料調(diào)配、②許多原材料構(gòu)成的焊接材料的化學(xué)成分（焊接材料成分）、③焊接后焊縫金屬的化學(xué)成分（焊縫金屬化學(xué)成分）、④焊縫金屬的力學(xué)性能。考慮焊接材料開(kāi)發(fā)特點(diǎn)的MI技術(shù)是①～④正逆向關(guān)系的AI預(yù)測(cè)和探索技術(shù)。預(yù)測(cè)技術(shù)構(gòu)建進(jìn)行①→②、②→③、③→④正向計(jì)算的預(yù)測(cè)模型，用各預(yù)測(cè)模型的連結(jié)，實(shí)現(xiàn)了①～④的全體預(yù)測(cè)。此外，開(kāi)發(fā)出④→③→②→①逆向計(jì)算的探索技術(shù)。以下對(duì)各預(yù)測(cè)·探索技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。
首先，根據(jù)①原材料配比，用線(xiàn)性式表示成分特點(diǎn)，將焊接材料成分預(yù)測(cè)模型化。開(kāi)發(fā)出根據(jù)焊接材料成分的、基于線(xiàn)性模型的效果顯著的凸最佳化的原材料配比探索方法。然后，由于用物理理論難于根據(jù)②焊接材料成分建立③焊接金屬成分的預(yù)測(cè)模型和難于根據(jù)③焊接金屬成分建立焊接金屬性能的預(yù)測(cè)模型。所以，利用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立高斯過(guò)程回歸學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型。但是，預(yù)測(cè)模型的說(shuō)明變量焊接材料成分和焊縫金屬成分的種類(lèi)多達(dá)數(shù)十個(gè)。對(duì)于有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用單一的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，不能達(dá)到良好的預(yù)測(cè)精度。為了提高預(yù)測(cè)精度，將焊接材料成分中影響小的成分去除，減少了說(shuō)明變量，并開(kāi)發(fā)出利用試驗(yàn)溫度與脆性斷口率關(guān)系的焊縫金屬韌性預(yù)測(cè)模型。此外，根據(jù)④焊縫金屬性能對(duì)焊縫金屬成分和焊接材料成分關(guān)系的探索，使用了高斯過(guò)程回歸和貝葉斯優(yōu)化技術(shù)。
現(xiàn)在，已經(jīng)將本開(kāi)發(fā)技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼電弧焊藥芯焊絲的開(kāi)發(fā)。首先，收集大范圍強(qiáng)度級(jí)別的數(shù)千個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型。然后，設(shè)定檢證項(xiàng)目：焊縫金屬抗拉強(qiáng)度TS≥830MPa、0℃韌性（vE0℃，0℃夏比吸收能）≥90J。對(duì)預(yù)測(cè)的原材料配比進(jìn)行探索，并試制出實(shí)際焊絲，對(duì)焊縫金屬性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)結(jié)果追加到評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)行同樣的多次試驗(yàn)。圖3是基于人的知見(jiàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法試制焊絲的焊縫金屬性能（○）和基于MI試制焊絲的焊縫金屬性能（●）。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，利用MI進(jìn)行了大幅度的各成分變化的設(shè)計(jì)，其中的一個(gè)設(shè)計(jì)焊接材料的TS、vE0℃性能經(jīng)優(yōu)化達(dá)到目標(biāo)性能。利用MI，高效率得出達(dá)到目標(biāo)性能的焊接材料，并且，得到了與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同的成分利用的新效果。
3利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和AI進(jìn)行薄鋼板材料開(kāi)發(fā)
下面介紹的事例是，根據(jù)神戶(hù)制鋼積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用AI構(gòu)建材料性能預(yù)測(cè)模型，對(duì)備選材料探索，開(kāi)發(fā)出達(dá)到目標(biāo)性能的汽車(chē)用超高強(qiáng)薄鋼板，并且，用很少的實(shí)施案例就可獲得專(zhuān)利。
汽車(chē)用超高強(qiáng)薄鋼板的性能要求是，為保證沖撞安全性的高抗拉強(qiáng)度（TS）和保證良好加工性的高伸長(zhǎng)率（EL）及擴(kuò)孔率（λ）。這是兩種性能相悖的力學(xué)性能。一般來(lái)說(shuō)，鋼中添加較多的合金成分可以提高力學(xué)性能，但為了保證良好的焊接性和制造性，對(duì)合金添加量有上限要求。在這種制約條件下進(jìn)行具有優(yōu)良力學(xué)性能的超高強(qiáng)薄鋼板的開(kāi)發(fā)難度很大，開(kāi)發(fā)需要的試驗(yàn)成本巨大。于是，對(duì)利用MI技術(shù)，用很少的試驗(yàn)，探索要求性能的薄鋼板進(jìn)行了嘗試。
首先，使用神戶(hù)制鋼此前積累的超高強(qiáng)鋼的360個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建利用AI的性能預(yù)測(cè)模型。在模型的說(shuō)明變量中加入了鋼材成分、熱處理?xiàng)l件和“Ae3點(diǎn)與均熱溫度的差（T1）”、“Ms點(diǎn)與冷卻停止溫度的差（T2）”。直接考察這些參數(shù)變化引起的材料組織的變化，提高了薄鋼板力學(xué)性能的預(yù)測(cè)精度。Ae3點(diǎn)和Ms點(diǎn)利用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo-Calc根據(jù)鋼的成分算出。目的變量3個(gè)：TS、EL、λ。預(yù)測(cè)方法是高斯過(guò)程回歸。圖4是TS、EL的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的關(guān)系。利用AI的性能預(yù)測(cè)模型可對(duì)TS、EL進(jìn)行高精度的預(yù)測(cè)。
然后，利用構(gòu)建的性能預(yù)測(cè)模型和貝葉斯優(yōu)化，在設(shè)定的C、Si、Mn成分范圍內(nèi)，探索達(dá)到目標(biāo)性能：TS≥950MPa、EL≥22%、λ≥20%的材料。根據(jù)貝葉斯優(yōu)化得到的達(dá)到要求性能概率最大的預(yù)測(cè)成分和熱處理?xiàng)l件，試制材料，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。第一次探索得出了18種材料。第二次探索將第一次探索的試驗(yàn)材料追加到學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩種材料的探索。結(jié)果是，第二次探索得到了達(dá)到目標(biāo)性能的薄鋼板材料。
此外，對(duì)于上述研究得到的成分和熱處理?xiàng)l件，利用AI性能預(yù)測(cè)模型，使用很少的實(shí)施例獲得了專(zhuān)利。具體的流程是，①首先對(duì)用大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建根據(jù)成分、熱處理?xiàng)l件預(yù)測(cè)材料性能的AI模型進(jìn)行說(shuō)明。②利用AI模型制作申請(qǐng)項(xiàng)范圍內(nèi)、外的成分、熱處理?xiàng)l件下的性能預(yù)測(cè)的虛擬數(shù)據(jù)，對(duì)申請(qǐng)范圍的適宜性進(jìn)行說(shuō)明。③表示出用實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)施例與比較例的比較結(jié)果。通常，為了規(guī)定申請(qǐng)項(xiàng)的范圍，需要提供基于參數(shù)變化的許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施例。現(xiàn)在，用AI預(yù)測(cè)的虛擬數(shù)據(jù)替代了大部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成了只有兩個(gè)實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的專(zhuān)利。
