研究背景

多主元合金具有优异的物理、化学和生物性能，在结构、功能和智能材料方面表现出巨大的潜力。然而，由于其广泛的成分组成空间以及成分主导的复杂微观组织结构，使得依赖于科学直觉与“试错”的传统材料研发模式已很难适用。因此，如何实现以性能为导向的多主元合金成分与微观结构协同高效设计将是一个极具挑战性的科学问题。

为此，湖南大学方棋洪教授联合中南大学刘咏教授、俄罗斯别尔哥罗德州立大学 N. Stepanov 教授和美国田纳西大学 P.K. Liaw 教授以“第四范式”（基于材料科学理论、数据科学以及人工智能技术的材料智能化设计）材料设计策略为基础，提出了一种融合机器学习、物理定律和力学模型的多级材料设计方法。与现有的物理模型或机器学习辅助的材料开发模式相比，提出的多级设计方法能够以更高效率、更高精度解决包括识别多主元合金目标性能和挖掘最优成分在内的正逆问题，为先进材料的高效低成本设计提供了一个重要的理论及应用框架。

亮点 1: 提出了耦合机器学习、物理定律以及力学模型的材料多级设计策略。

图 1A 为高强高韧多相多主元合金的优化设计流程图，图 1B 展示了在正逆问题中，一步设计策略与多级设计策略的比较。

亮点 2：建立了具有强鲁棒性、高准确性的机器学习多主元合金相结构预测模型及具有普适性的强度预测力学模型。

图 2A 为不同物理特征下各种机器学习算法的预测性能的比较，图 2B 为不同多主元合金屈服强度模型计算结果与实验对比。

亮点 3：高效、低成本地开发了具有优异强韧性组合的双相多主元合金。

图 3A 展示了新开发的合金与其他多主元合金系统的延展性与屈服强度的对比，图 3B 展示了多级设计策略与现有的材料设计技术的成本和效率对比。

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Performance-oriented multistage design for multi-principal element alloys with low cost yet high efficiency
Jia Li, Baobin Xie, Li Li, Bin Liu, Yong Liu, Dmitry Shaysultanov, Qihong Fang*（方棋洪，湖南大学）, Nikita Stepanov*（别尔哥罗德州立国立研究大学） and Peter K. Liaw
Mater. Horiz., 2022
http://doi.org/10.1039/D1MH01912K

李甲 副教授

主要开展航空发动机用多主元合金的强韧化机制及服役性能。以第一作者或通讯作者 Materials Horizons、Acta Materialia、Nano Letters、International Journal of Plasticity、Cell Reports Physical Science、Journal of Materials Science Technology 等学术刊物上发表多篇研究论文。

解宝霦 博士

主要研究方向为先进合金智能化设计。

李理 博士

主要研究方向为先进合金多尺度力学建模。

方棋洪 教授

湖南大学

主要研究方向为先进材料与结构力学。在 Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Materials Horizons、Acta Materialia、Advanced Materials、International Journal of Plasticity、Cell Reports Physical Science 等力学和金属材料期刊上发表学术论文 200 余篇。发展了概率依赖的多尺度析出相强化理论；提出了高熵合金双向相变实现高强韧的方法；揭示了高熵合金晶格畸变与析出相协同强化机理；建立了超高速精密加工高质量表面的预测模型。获全国优秀博士学位论文提名奖、教育部新世纪优秀人才、教育部霍英东青年基金、湖南省杰出青年基金、湖南省自然科学二等奖等。受邀担任 Journal of Micromechanics & Molecular Physics 副主编以及《力学进展》、《力学与实践》、Scientific Reports 编委，中国力学学会教育工作委员会、青年工作委员会委员。

Nikita Stepanov 教授

主要研究高熵合金的设计、结构表征及力学性能开发。在国际期刊 Corrosion Science、Scripta Materialia、Materials Research Letters、Materials Science and Engineering A 等发表了 100 余篇学术论文，被引用超过 4500 次，H 指数 35。2018 年获得 Scopus Awards Russia 奖。