Interpretable machine learning-assisted design of Fe-based nanocrystalline alloys with high saturation magnetic induction and low coercivity

矫顽力 纳米晶材料 材料科学 价(化学) 饱和(图论) 人工智能 计算机科学 分析化学(期刊) 算法 凝聚态物理 纳米技术 数学 化学 物理 色谱法 有机化学 组合数学
作者
Ning Zhang,Aina He,Gan Zhang,Peng Cai,Bojun Zhang,Yufan Ling,Yaqiang Dong,Jiawei Li,Qikui Man,Bao-gen Shen
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:188: 73-83 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.12.009
摘要

Overcoming the trade-off between saturation magnetic induction (Bs) and coercivity (Hc) of Fe-based nanocrystalline alloys (FNAs) remains a great challenge due to the traditional design relying on trial-and-error methods, which are time-consuming and inefficient. Herein, we present an interpretable machine learning (ML) algorithm for the effective design of advanced FNAs with improved Bs and low Hc. Firstly, the FNAs datasets were established, consisting of 20 features including chemical composition, process parameters, and theoretically calculated parameters. Subsequently, a three-step feature selection was used to screen the key features that affect the Bs and Hc of FNAs. Among six different ML algorithms, extreme gradient boosting (XGBoost) performed the best in predicting Bs and Hc. We further revealed the association of key features with Bs and Hc through linear regression and SHAP analysis. The valence electron concentration without Fe, Ni, and Co elements (VEC1) and valence electron concentration (VEC) ranked as the most important features for predicting Bs and Hc, respectively. VEC1 had a positive impact on Bs when VEC1 < 0.78, while VEC had a negative effect on Hc when VEC < 7.12. Optimized designed FNAs were successfully prepared, and the prediction errors for Bs and Hc are lower than 2.3% and 18%, respectively, when comparing the predicted and experimental results. These results demonstrate that this ML approach is interpretable and feasible for the design of advanced FNAs with high Bs and low Hc.

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