本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PSO-SVR的高硬度鋁合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷進(jìn)步，高硬度材料，特別是高硬度合金材料在日常生產(chǎn)生活和科研中扮演著越來(lái)越重要的角色，研發(fā)新型超硬材料在材料科學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的研究課題，特別是高硬度的鋁合金。高硬度材料在工業(yè)制造業(yè)的切削及超高速銑削等機(jī)床加工、刀具原材料的制造、制造軸承等方面具有重要的用途。高硬度材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、抗壓抗折、不易斷裂、不易劃傷等特點(diǎn)。而鋁密度較小，雖然資源豐富，具有良好的加工性，并且廣泛用于板、線、管等變形材料，但是純鋁的硬度不夠高，和鋼、鐵、銅合金等有色金屬相比明顯處于劣勢(shì)，在其表面易產(chǎn)生缺陷并且容易磨損。在很多情形下鋁不能用于對(duì)強(qiáng)度要求高的場(chǎng)合，比如螺絲、螺帽、螺栓、齒輪等，這是鋁在實(shí)際應(yīng)用中的一大缺點(diǎn)。基于此，各種提高鋁合金的硬度的工藝和方法被提出，人們期待通過(guò)摻入其他元素以大幅度提高鋁材的硬度，從而有效擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)純鋁只適合做傳熱、導(dǎo)電元件，而不適合制作承受較大載體，目前常見(jiàn)提高其硬度的方法有：1.加工強(qiáng)化，加工強(qiáng)化也稱作冷硬化，就是金屬材料在再結(jié)晶溫度以下冷變形加工如鍛造、壓延、拉拔、拉伸等，冷變形時(shí)，金屬內(nèi)部位錯(cuò)密度增大，且相互纏結(jié)并形成胞狀結(jié)構(gòu)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。變形度越大位錯(cuò)纏結(jié)越嚴(yán)重，變形抗力越大，強(qiáng)度越高。冷變形后強(qiáng)化的程度隨變形度、變形溫度及材料本身的性質(zhì)而不同。同一材料在同一溫度下冷變形時(shí)，變形度越大則強(qiáng)度越高，塑性則越低。2.固溶強(qiáng)化，在純鋁中添加某些合金元素形成無(wú)限固溶體或有限固溶體，不僅能獲得高的強(qiáng)度，而且還能獲得優(yōu)良的塑性與良好的壓力加工性能。在一般鋁合金中固溶強(qiáng)化最常用的合金元素是銅、鎂、錳、鋅、硅、鎳等元素。一般鋁的合金化都形成有限的固溶體，如Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn，Al-Si，Al-Mn等二元合金均形成有限固溶體，并且都有較大的極限溶解度能起較大的固溶強(qiáng)化效果。3.組織強(qiáng)化，在鋁合金中添加微量元素以細(xì)化晶粒組織是提高鋁合金力學(xué)性能的另一種重要手段。變形鋁合金中添加微量鈦、鋯、鈹、鍶以及稀土元素，它們能形成難熔化合物，在合金結(jié)晶時(shí)作為非自發(fā)晶核，起細(xì)化晶粒作用，能提高合金的強(qiáng)度和塑性。4.過(guò)剩相強(qiáng)化，當(dāng)鋁中加入的合金元素含量超過(guò)其極限溶解度時(shí)，淬火加熱時(shí)便有一部分不能溶入固溶體的第二相出現(xiàn)稱之為過(guò)剩相。在鋁合金中過(guò)剩相多為硬而脆的金屬間化合物。它們?cè)诤辖鹬衅鹱璧K滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，使其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性降低。合金中過(guò)剩相的數(shù)量愈多，其強(qiáng)化效果愈好，但過(guò)剩相多時(shí)，由于合金變脆而導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性降低。5.時(shí)效強(qiáng)化，鋁合金熱處理后可以得到過(guò)飽和的鋁基固溶體。這種過(guò)飽和鋁基固溶體在室溫或加熱到某一溫度時(shí)，其強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間延長(zhǎng)而增高，但塑性降低。這個(gè)過(guò)程就稱時(shí)效。時(shí)效過(guò)程中使合金的強(qiáng)度、硬度增高的現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效硬化。上述方法中不同工藝、組分等都會(huì)直接影響所制備鋁合金的硬度。

實(shí)踐中，人們往往通過(guò)線性/非線性/經(jīng)驗(yàn)公式等方法建模，以尋求不同工藝/組分與所制備鋁合金的硬度關(guān)系，用于指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由于傳統(tǒng)的線性/非線性/經(jīng)驗(yàn)公式等方法所建模型的準(zhǔn)確率不夠高，往往實(shí)用性不夠強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于PSO-SVR的高硬度鋁合金及其制備方法，旨在解決傳統(tǒng)的線性/非線性/經(jīng)驗(yàn)公式等方法所建模型的準(zhǔn)確率不夠高，往往實(shí)用性不強(qiáng)的問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種高硬度鋁合金，該高硬度鋁合金按質(zhì)量比組分由Si0.4-0.5％、Fe0.4-0.5％、Cu4-5％、Mn0.8-0.9％、Mg1.5-2％、Ti0.1-0.2％、Zn0.2-0.3％、Cr0.1-0.2％(其余為Al)組成。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述高硬度鋁合金的制備方法，該高硬度鋁合金的制備方法是將支持向量回歸(SVR)與粒子群尋優(yōu)(PSO)相結(jié)合，建立一種新的基于配方的鋁合金維氏硬度的有效SVR模型，并由此模型預(yù)測(cè)高硬度鋁合金的最優(yōu)組分及對(duì)應(yīng)的最大硬度值，具體包括以下步驟：

改變Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr元素含量，采用鋁材常用制備法制備若干鋁合金樣品；

測(cè)量所制備鋁合金的維氏硬度，收集各鋁合金中的Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr元素含量及對(duì)應(yīng)的維氏硬度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立合適的SVR計(jì)算模型；

利用檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型的準(zhǔn)確性或可靠性進(jìn)行評(píng)估，若所建SVR模型預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求，則該模型可靠，否則改變或增加訓(xùn)練樣本，重新訓(xùn)練以獲得新的SVR模型，再利用未參與建模訓(xùn)練的檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型進(jìn)行檢驗(yàn)，直到所建SVR模型的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求為止，此時(shí)的SVR模型即為最優(yōu)模型；

利用上述優(yōu)化的SVR模型，分析所建的SVR模型所揭示的各組分對(duì)鋁合金硬度的影響規(guī)律；改變自變量(即鋁合金各元素百分含量)值，經(jīng)過(guò)格點(diǎn)掃描，獲取具有最高維氏硬度的鋁合金所具有的各成分含量。

根據(jù)最優(yōu)SVR模型所獲鋁合金最優(yōu)組分值制備鋁合金，測(cè)量其維氏硬度，與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

將所得產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

本發(fā)明提供的高硬度鋁合金基于通過(guò)添加元素可以有效提高鋁合金硬度。先經(jīng)過(guò)改變添加元素的組分的若干次實(shí)驗(yàn)，得到不同組分的鋁合金的硬度值，利用PSO-SVR建模找出各添加元素的含量與其硬度的定量關(guān)系，其準(zhǔn)確率比傳統(tǒng)線性/非線性/經(jīng)驗(yàn)公式等方法所建模型的準(zhǔn)確率高得多，最終獲得具有最大硬度值的鋁合金的最優(yōu)元素組分/配方，利用最優(yōu)元素組分/配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備樣品，經(jīng)硬度測(cè)試達(dá)到預(yù)期要求后，即可投入實(shí)際使用；

本發(fā)明中利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)鋁合金的各元素組分的含量進(jìn)行了建模及優(yōu)化。從所建的SVR計(jì)算模型可以得到各元素組分對(duì)鋁合金硬度值的影響規(guī)律，并可通過(guò)格點(diǎn)掃描獲得使鋁合金達(dá)到最大硬度值(154GPa以上)時(shí)各元素最優(yōu)組分，經(jīng)過(guò)對(duì)比，該最大值比目前已知的最大值(150.0GPa)要大4GPa，拓寬了高硬度鋁合金材料的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明所建的SVR模型與現(xiàn)有技術(shù)比較存在的區(qū)別和具有的優(yōu)勢(shì)：

本發(fā)明最大的優(yōu)勢(shì)是能通過(guò)所建的計(jì)算模型尋優(yōu)得到鋁合金中各元素組分的最優(yōu)值，在這個(gè)配方下，可使得鋁合金的硬度達(dá)到最大值154GPa以上，要比目前的已知的最大值要大；而傳統(tǒng)的合成更高硬度的鋁合金是需要做大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)找到最佳的各元素組分的配方，這需要耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力、人力和時(shí)間；而本發(fā)明能做到避免盲目的工作，在本發(fā)明所建的SVR模型的理論指導(dǎo)下，指導(dǎo)合成更高硬度的鋁合金，可以節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，提高新型高硬度鋁合金的研發(fā)效率；在模型的準(zhǔn)確度方面，與傳統(tǒng)的LRM相比，本發(fā)明所建的SVR模型的訓(xùn)練和測(cè)試的誤差都很??；所以本發(fā)明所建的SVR模型具有很好的可靠性；本發(fā)明所建的SVR模型比LRM模型能更準(zhǔn)確地反映鋁合金中各元素組分對(duì)鋁合金材料硬度值的交互影響規(guī)律；此外，利用所建SVR模型，通過(guò)靈敏度分析，還能夠發(fā)現(xiàn)鋁合金材料硬度對(duì)哪種元素組分更為敏感。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于PSO-SVR的高硬度鋁合金制備方法流程圖；

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的高硬度鋁合金由Si0.4-0.5％、Fe0.4-0.5％、Cu4-5％、Mn0.8-0.9％、Mg1.5-2％、Ti0.1-0.2％、Zn0.2-0.3％、Cr0.1-0.2％(其余為Al)組成。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于PSO-SVR的高硬度鋁合金的制備方法，該高硬度鋁合金的制備方法是將SVR與PSO相結(jié)合，建立一種新的基于配方的鋁合金維氏硬度的有效SVR模型，并由此模型預(yù)測(cè)高硬度鋁合金的最優(yōu)組分及對(duì)應(yīng)的最大硬度值，具體包括以下步驟：

S101：改變?cè)豐i、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr、Al含量，制備具有不同元素含量的若干個(gè)鋁合金樣品；

S102：按照國(guó)標(biāo)方法測(cè)量各樣品的維氏硬度，采集各樣品Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr、Al元素含量及對(duì)應(yīng)樣品的維氏硬度，利用所采集的訓(xùn)練樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建維氏硬度與樣品元素間的SVR模型；

S103：利用檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型的準(zhǔn)確性或可靠性進(jìn)行評(píng)估、分析，若所建SVR模型預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求，則該模型可靠，否則改變或增加訓(xùn)練樣本，重新訓(xùn)練以獲得新的SVR模型，再利用未參與建模訓(xùn)練的檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型進(jìn)行檢驗(yàn)，直到所建SVR模型的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求為止，此時(shí)的SVR模型即為最優(yōu)模型；

S104：利用上述優(yōu)化的SVR模型，改變自變量(即鋁合金各元素百分含量)值，經(jīng)過(guò)格點(diǎn)掃描，獲取具有最高維氏硬度時(shí)的鋁合金所具有的各成分含量；

S105：應(yīng)用優(yōu)化的SVR模型所預(yù)測(cè)的具有最高維氏硬度時(shí)的鋁合金所具有最優(yōu)組分，制備樣品并測(cè)量其維氏硬度，若達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或要求，即可推廣應(yīng)用。

具體包括：

改變?cè)豐i、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr組分制備若干不同鋁合金樣品；按照國(guó)標(biāo)方法測(cè)量各樣品的維氏硬度，采集各樣品Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr、Al元素含量及對(duì)應(yīng)樣品的維氏硬度，利用所采集的訓(xùn)練樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建維氏硬度與樣品元素間的SVR模型；利用檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型的準(zhǔn)確性或可靠性進(jìn)行評(píng)估、分析，若所建SVR模型預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求，則該模型可靠，否則改變或增加訓(xùn)練樣本，重新訓(xùn)練以獲得新的SVR模型，再利用未參與建模訓(xùn)練的檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建SVR模型進(jìn)行檢驗(yàn)，直到所建SVR模型的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到實(shí)用要求為止，此時(shí)的SVR模型即為最優(yōu)模型；利用上述優(yōu)化的SVR模型，改變自變量(即鋁合金各元素百分含量)值，經(jīng)過(guò)格點(diǎn)掃描，獲取具有最高維氏硬度時(shí)的鋁合金所具有的各成分含量。利用檢驗(yàn)樣本驗(yàn)證/檢驗(yàn)所建SVR模型的準(zhǔn)確率是否達(dá)到要求；若是，則利用最優(yōu)模型獲得最佳元素組分配方，及其對(duì)應(yīng)的最大硬度值；若否，重返利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法、增加實(shí)驗(yàn)樣本或調(diào)整實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練樣本進(jìn)行SVR優(yōu)化建模，直至所建SVR模型的準(zhǔn)確率達(dá)到要求為止；應(yīng)用優(yōu)化的SVR模型可以計(jì)算獲得Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr元素含量對(duì)鋁合金硬度的交互影響規(guī)律；可以對(duì)鋁合金硬度對(duì)各元素的敏感程度進(jìn)行分析計(jì)算；應(yīng)用優(yōu)化的SVR模型所預(yù)測(cè)的具有最高維氏硬度時(shí)的鋁合金所具有最優(yōu)組分，制備樣品并測(cè)量其維氏硬度，若達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或要求，即可推廣應(yīng)用。

下面結(jié)合對(duì)比對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明所建的計(jì)算模型是基于具有不同Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr、Al含量及不同硬度的35個(gè)鋁合金樣本，利用其中的29個(gè)樣本進(jìn)行PSO-SVR訓(xùn)練建模，另外6個(gè)樣本作為測(cè)試樣本。從訓(xùn)練和測(cè)試誤差來(lái)看，所建SVR模型的平均絕對(duì)百分誤差(MAPE)都很小，其中訓(xùn)練樣本的MAPE為3.90％，大部分計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)接近，甚至有11組訓(xùn)練樣本的誤差趨于0，大大優(yōu)于LRM模型的MAPE(9.34％)；6個(gè)測(cè)試樣本中，本發(fā)明所建的SVR模型的MAPE為3.49％，其中5個(gè)測(cè)試樣本的誤差不超過(guò)5％，而LRM模型的MAPE為11.75％，且其中5個(gè)測(cè)試樣本的誤差高達(dá)10％以上；對(duì)SVR模型和LRM模型總體的MAPE的統(tǒng)計(jì)對(duì)比可得，本發(fā)明所建的SVR模型的MAPE為3.83％，而LRM模型的MAPE為9.76％，很明顯，本發(fā)明所建的計(jì)算模型具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，這說(shuō)明所建的SVR模型是可靠有效的；另外對(duì)模型的合理性分析可知，傳統(tǒng)的LRM模型具有局限性，只能在各元素組分比較狹窄的范圍內(nèi)才有效，因?yàn)楦鶕?jù)LRM模型的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各元素組分取試驗(yàn)中已知的最大值時(shí)Al合金最大硬度值為224.1GPa，很明顯不合理，這說(shuō)明LRM模型沒(méi)有很好的預(yù)測(cè)和泛化能力；而本發(fā)明所建的SVR模型就能預(yù)測(cè)到各元素組分在某個(gè)恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，鋁合金的硬度值達(dá)到最大值(154GPa以上)，比目前已知的最大硬度值(150GPa)大；與傳統(tǒng)LRM模型相比，本發(fā)明所建的SVR模型的預(yù)測(cè)能力、泛化能力和穩(wěn)定性方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)；利用所建SVR模型可以計(jì)算獲得Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ti、Zn、Cr元素含量對(duì)鋁合金硬度的交互影響規(guī)律；利用所建SVR模型對(duì)鋁合金硬度對(duì)各元素的靈敏度分析計(jì)算，相對(duì)而言，發(fā)現(xiàn)鋁合金硬度對(duì)Fe元素含量最敏感，而對(duì)Zn元素的含量最遲鈍。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。