Molecular dynamics (MD) simulations have become indispensable for exploring tribological deformation patterns at the atomic scale. However, transforming the resulting high-dimensional data into interpretable deformation pattern maps remains a resource-intensive and largely manual process. In this work, we introduce a data-driven workflow that automates this interpretation step using unsupervised and supervised learning. Grain-orientation-colored computational tomograph pictures obtained from CuNi alloy simulations were first compressed through an autoencoder to a 32-dimensional global feature vector. Despite this strong compression, the reconstructed images retained the essential microstructural motifs: grain boundaries, stacking faults, twins, and partial lattice rotations, while omitting only the finest defects. The learned representations were then combined with simulation metadata (composition, load, time, temperature, and spatial position) to train a CNN-MLP model to predict the dominant deformation pattern. The resulting model achieves a prediction accuracy of approximately 96% on validation data. A refined evaluation strategy, in which an entire spatial region containing distinct grains was excluded from training, provides a more robust measure of generalization. The approach demonstrates that essential tribological deformation signatures can be automatically identified and classified from structural images using Machine Learning. This proof of concept constitutes a first step towards fully automated, data-driven construction of tribological mechanism maps and, ultimately, toward predictive modeling frameworks that may reduce the need for large-scale MD simulation campaigns.


翻译:分子动力学(MD)模拟已成为在原子尺度上探究摩擦学变形模式不可或缺的工具。然而,将由此产生的高维数据转化为可解释的变形模式图谱,仍然是一个资源密集型且高度依赖人工的过程。本研究提出了一种数据驱动的工作流程,利用无监督与有监督学习自动完成这一解析步骤。首先,通过自编码器将从CuNi合金模拟中获得的晶粒取向着色计算层析图像压缩为32维全局特征向量。尽管进行了如此大幅度的压缩,重建图像仍保留了关键的微观结构特征:晶界、堆垛层错、孪晶以及部分晶格旋转,仅省略了最细微的缺陷。随后,将学习到的表征与模拟元数据(成分、载荷、时间、温度及空间位置)结合,训练一个CNN-MLP模型以预测主导变形模式。该模型在验证数据上达到了约96%的预测准确率。通过采用一种精化的评估策略——在训练中排除包含不同晶粒的整个空间区域——提供了更为稳健的泛化性能度量。该方法证明,利用机器学习可从结构图像中自动识别并分类关键的摩擦学变形特征。这一概念验证为迈向全自动化、数据驱动的摩擦学机制图谱构建迈出了第一步,并最终有望建立可减少大规模MD模拟需求的预测建模框架。

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