Integração algoritmo genético com machine learning para design de ligas de alta entropia com propriedades mecânicas otimizadas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Binde Stoco, Caroline
Orientador(a): Coury, Francisco Gil lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22002
Resumo: The rapid pace of technological advancement is driving the need for the development of novel materials that can meet the evolving demands across various service sectors. In this context, High Entropy Alloys (HEAs) have emerged as a promising solution. However, a significant challenge has been the selection of optimal compositions within a vast and complex multicompositional space. To address this challenge, this study developed a genetic algorithm capable of designing HEAs by optimizing multiple, potentially antagonistic, objectives. Through processes of genetic selection, crossover and mutation, the algorithm generated new alloy generations, progressively aligning their properties with the desired parameters. The optimization process aimed to achieve a single-phase face-centered cubic (FCC) structure, assessed through the integration of the CALPHAD method with machine learning techniques for classification using Support Vector Machines (SVM) and active learning. Additionally, the algorithm sought to maximize the Hall-Petch constant (K) and the critical resolved shear stress (τ_Y), enhancing mechanical strength through grain refinement and solid solution strengthening. These parameters were evaluated using empirical equations. The effects of twinning-induced plasticity (TWIP) and transformation-induced plasticity (TRIP) were also incorporated into the algorithm, with stacking fault energy (SFE) predictions made using Support Vector Regression (SVR). The final output of this genetic algorithm is a set of optimized HEA compositions, including two selected for future experimental analysis, demonstrating the genetic algorithm effectiveness in navigating the multicompositional space and addressing conflicting design objectives.
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To address this challenge, this study developed a genetic algorithm capable of designing HEAs by optimizing multiple, potentially antagonistic, objectives. Through processes of genetic selection, crossover and mutation, the algorithm generated new alloy generations, progressively aligning their properties with the desired parameters. The optimization process aimed to achieve a single-phase face-centered cubic (FCC) structure, assessed through the integration of the CALPHAD method with machine learning techniques for classification using Support Vector Machines (SVM) and active learning. Additionally, the algorithm sought to maximize the Hall-Petch constant (K) and the critical resolved shear stress (τ_Y), enhancing mechanical strength through grain refinement and solid solution strengthening. These parameters were evaluated using empirical equations. The effects of twinning-induced plasticity (TWIP) and transformation-induced plasticity (TRIP) were also incorporated into the algorithm, with stacking fault energy (SFE) predictions made using Support Vector Regression (SVR). The final output of this genetic algorithm is a set of optimized HEA compositions, including two selected for future experimental analysis, demonstrating the genetic algorithm effectiveness in navigating the multicompositional space and addressing conflicting design objectives.O rápido avanço tecnológico tem impulsionado a necessidade de desenvolver novos materiais capazes de atender às demandas crescentes de diversos setores. Nesse contexto, as Ligas de Alta Entropia (HEAs) surgem como uma solução promissora. Entretanto, a seleção de composições ideais em um vasto e complexo espaço multicomposicional permanece um grande desafio. Para enfrentá-lo, este estudo desenvolveu um algoritmo genético capaz de realizar o design de HEAs otimizando múltiplos objetivos, potencialmente antagônicos. Por meio de processos de seleção, cruzamento e mutação genética, o algoritmo gerou novas gerações de ligas, alinhando progressivamente suas propriedades aos parâmetros desejados. O processo de otimização teve como objetivo obter uma estrutura monofásica cúbica de face centrada (CFC), avaliada pela integração do método CALPHAD com técnicas de machine learning para classificação utilizando Support Vector Machine (SVM) e active learning. Além disso, o algoritmo buscou maximizar a constante de Hall-Petch () e a tensão de cisalhamento crítica resolvida (), aumentando a resistência mecânica por meio do refinamento de grão e do endurecimento por solução sólida. Esses parâmetros foram avaliados usando equações empíricas. Os efeitos da plasticidade induzida por maclação (TWIP) e plasticidade induzida por transformação de fase (TRIP) também foram incorporados ao algoritmo, com previsões da energia de falha de empilhamento (EFE) realizadas pelo modelo de regressão Support Vector Regression (SVR). O produto final deste algoritmo genético é um conjunto de composições otimizadas de HEAs, incluindo duas selecionadas para análise experimental futura, demonstrando a eficácia do algoritmo genético em explorar o espaço multicomposicional e lidar com objetivos de design conflitantes.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo nº 88887.843474/2023-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior/ Programa de Excelência Acadêmica (CAPES/PROEX).Processo n° 2023/04907-2, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).Processo n° 2023/14613-6, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarhttps://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.110768Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessHigh entropy alloysGenetic algorithmMachine learningCALPHAD MethodMechanical propertiesENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICALigas de alta entropiaAlgoritmo genéticoMétodo CALPHADPropriedades mecânicasIntegração algoritmo genético com machine learning para design de ligas de alta entropia com propriedades mecânicas otimizadasIntegration of genetic algorithm with machine learning for the design of high-entropy alloys with optimized mechanical propertiesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdfCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdfapplication/pdf2131742https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d80560bf-2590-44fa-aa16-1c3d8f3beb78/download3e736fed250b0800d7a1a00a6c477deeMD51trueAnonymousREADTEXTCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdf.txtCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain103710https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/93dad513-f911-4719-ae40-3d0aa26096a3/downloadd7a9c81213979d0985fe0a0356ce05d3MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdf.jpgCaroline Binde Stoco - Dissertação.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3991https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/36b085d5-cde0-477c-ac93-28200d989388/downloadea27aa935ceeaa9010606d3a7024e96cMD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f845ff47-fe52-4ec2-98d5-74399d8b93f6/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREAD20.500.14289/220022025-08-05T19:26:46.673712Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22002https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-08-05T19:26:46Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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