大数据和人工智能技术的快速发展推动数据驱动的材料研发快速发展成为变革传统试错法的新模式，即所谓的材料研发第四范式。新模式将大幅度提升材料研发效率和工程化应用水平，推动新材料快速发展。本文聚焦机器学习辅助材料研发这一新兴领域，以材料预测和优化设计为主线，在简述材料特征构建与筛选的基础上，综述了机器学习在材料相结构、显微组织、成分-工艺-性能、服役行为预测等方面的研究进展；针对材料数据样本量少、噪音高、质量差，以及新材料探索空间巨大的特点，综述了机器学习模型与优化算法和策略融合，在新材料优化设计中的研究进展和典型应用。最后，讨论了机器学习在材料领域的发展机遇和挑战，展望了发展前景。
我国是世界上镁资源最为丰富的国家，镁及镁合金具有质轻、比强度高、阻尼减振、电磁屏蔽性能优良、储能特性好等优点，是最有潜力的轻量化材料之一，其推广应用对节能减排和能源转型战略具有重要意义。但镁合金具有密排六方晶体结构，塑性变形能力较差。如何改善镁合金的塑性变形能力是扩大镁合金应用的瓶颈问题之一。本文综述了10多年来，世界各国在改善镁合金塑性、提升镁合金塑性变形能力等方面所做的大量工作，及在镁合金塑性加工技术等方面取得的重要进展。发展了“固溶强化增塑”新型镁合金设计理论和“熔体变温自纯化”等关键制备技术，形成了一批高塑性变形镁合金材料和牌号，其中杂质Fe含量可降到10 × 10-6以下，超高塑性镁合金延伸率可达到60%以上，超高强度(抗拉强度大于550 MPa)镁合金延伸率可以达到10%以上；开发了非对称挤压、非对称轧制、非对称改性、往复循环多道次镦挤开坯技术、扩收控制大比率锻造技术、挤锻复合成形技术等一批镁合金新型塑性加工技术。这些合金和技术使变形镁合金基面织构显著弱化，明显提高了变形镁合金板材、管型材和锻件的塑性成形能力和制品质量，产品成本大幅度降低，在板材、管型材和锻件制备加工中实现了成功应用。
金属材料和共价材料是2类重要的结构材料。常规的强化方法在提高这2类材料强度的同时，通常会降低材料的韧性。最近的实验结果表明，孪晶化可以同时提高Cu和金刚石的强度(硬度)和韧性，打破了材料强度和韧性的倒置关系，成为材料力学行为研究的热点。阐明纳米孪晶Cu和纳米孪晶金刚石的强韧化机制，有望找到协同提高材料强度和韧性的有效方法。本文综述了纳米孪晶金属和纳米孪晶共价材料在实验和理论方面的研究进展，总结了纳米孪晶金属和纳米孪晶共价材料的显微组织、制备方法和力学性能，介绍了纳米孪晶金属材料的强化机制和纳米孪晶共价材料的硬化机制，探讨了纳米孪晶材料力学行为研究的发展趋势。
具备一级马氏体相变特征的Ni-Mn-X (X = Ga、In、Sn、Sb等)系列合金具有多种显著的功能特性(如磁驱动形状记忆效应、磁热效应、弹热效应等)，在新型智能驱动传感及固态制冷等领域有广阔的应用前景。本课题组近年来以多晶Ni-Mn-X合金的织构化与微观组织调控为出发点，针对多晶Ni-Mn-X系列合金的晶体结构与微观组织特征、马氏体相变晶体学以及相关功能行为等方面开展了一系列的探索；本文综述了本课题组近年来所取得的一些研究进展。
镁基合金储氢密度高且镁资源丰富，是固态储氢的良好工作介质，同时Mg-RE-TM储氢合金作为Ni-MH电池负极在电化学储能领域也有重要的应用。但镁基储氢合金存在吸/放氢温度过高、动力学性能缓慢的缺点，在电化学性能方面则面临循环稳定性差、工作温度区间窄等难题。本文结合近年来国内外的重要研究进展和本研究组的工作，总结了镁基储氢材料吸/放氢动力学调控及高性能Ni-MH电池镁基储氢合金负极的主要研究进展。首先阐述了镁基储氢合金吸/放氢反应主要调控方法及相应的机制；随后介绍了通过氢化反应原位生成多尺度多相复合结构调控吸/放氢动力学的方法，以及基于多尺度多相协同所创制的一系列具有良好宽温区电化学性能的A2B7型RE-Mg-Ni负极合金；最后揭示了Mg-Ni基非晶储氢合金负极材料的电化学性能衰减的新机理，并据此建立的电化学改善其性能的方法。
变形镁合金通过调控微观组织、优化变形工艺，提高材料的力学性能，从而具有广泛的应用前景。低合金化镁合金在成形性、耐腐蚀性及轻量化等方面具有较大优势。低合金、高性能成为变形镁合金发展的重要趋势之一。本文重点概述了低合金化高强、高塑、超塑性变形镁合金在合金成分设计、强韧化机制及加工技术等方面的研究进展，并从提高生产效率、扩大应用范围的角度，展望了低合金化变形镁合金的发展趋势。
亚稳β钛合金具有密度低、比强度高以及成形能力好等优异的综合特征，已经在对强韧性要求极高的航空航天结构件上获得应用，用以替代传统的高强度钢，实现显著的结构减重的同时大幅度提升飞行器性能。热成形技术与热处理工艺相结合是制备高强亚稳β钛合金结构件的主要手段，而制定优化工艺的前提是对合金的变形机制形成完整的认识，进而实现合金构件的组织-性能一体化调控。同时，明晰高强亚稳β钛合金的变形机制与宏观力学性能间的关系也有助于进一步研发新型合金，满足飞行器对更高性能材料的需求。因此，本文围绕高强亚稳β钛合金变形机制及其组织调控方法，首先概述了合金的室温塑性变形机制研究进展，阐述了β基体稳定性的影响因素及其相应的变形机制演变规律，分析了α析出相的特征对位错运动的综合影响，以及由此所造成的力学性能表现。然后，总结了高强亚稳β钛合金的热变形行为与机制，分析了合金在不同相区以及不同变形阶段所对应的组织演变规律和变形机制，探讨了合金在热变形过程中的加工硬化与流变软化行为。最后，简述了高强亚稳β钛合金组织调控过程中动态回复/动态再结晶与动态相变的复杂交互作用，论述了多尺度计算模型在合金组织与性能预测方面的研究现状与发展趋势。
结构钛合金已成为航空、航天、船舶等重大工程领域的关键材料，其强韧化，特别是增韧，是材料研究的核心。应用状态下大部分结构钛合金由α + β两相组成，精细调控两相的成分、比例及形态是深度优化合金强韧性的基础。本文综述了结构钛合金主要的强韧性优化手段，重点介绍了本团队在结构钛合金成分设计、塑性变形方式及显微结构调控方面开展的相关研究工作。研究表明，通过两相的成分优化设计，可提高hcp结构α相及α/β两相界面的协调变形，并抑制脆性ω和Ti3Al相的过量析出；两相微区成分调控同样可诱发α相形变孪晶及β相形变诱发相变，导致孪晶增塑增韧效应。此外，大量研究也表明，制备多尺度显微结构是实现钛合金增塑增韧的重要调控手段。在钛合金微区相成分和形态精确调控的基础上，提出了基于微区调控的高强高韧钛合金设计及工程化制备的研究方法。最后对不同应用领域的高强韧结构钛合金的技术发展进行了总结及展望。
概述了激光增材制造技术在高温合金中的进展。介绍了增材制造高温合金的技术特点和应用、微观组织及冶金缺陷的形成机制与种类，并从激光参数以及成分设计2个方面综述了增材制造高温合金的缺陷控制方法，明确了激光工艺参数优化与成分优化的方向。最后，从工艺和材料2个方面对激光增材制造在高温合金中的未来发展趋势与研究方向进行了展望。
得益于先进表征技术的快速发展，已经可以初步实现在时间和空间上高精度、大范围地定量表征金属材料中的溶质原子团簇，这极大地促进了溶质原子团簇的深入研究。对于广泛应用的铝合金而言，溶质原子团簇不仅是作为时效析出的前驱体而得到重视，更成为了一种新型的强韧化手段，在强塑性匹配上显示出了一定的调控潜力和自由度。本文针对铝合金近年来的相关研究进展，从溶质原子团簇精确表征、形成热/动力学、影响因素、强韧化机理以及应用举例等多个方面进行了简要总结，并对未来可能的重点研究内容进行了展望。
增材制造技术由于其高精度、高自由度等特点，可赋予医用金属植入物定制化的宏观与微观结构，使植入物与患者待修复缺损部位实现更好的生物力学适配，满足临床治疗个性化方案的需求，并为医用金属植入物的制造提供新途径。可降解金属目前是医用金属的研究热点，增材制造可降解金属医用植入物是个新方向，本文重点对增材制造镁基、锌基、铁基可降解金属的工艺流程及影响因素、力学性能、降解行为、生物相容性相关结果进行分析与总结，并展望了增材制造技术在医用可降解金属植入物领域的未来发展方向。
国际热核聚变实验堆计划是迄今为止全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。核聚变堆包层模块需要选用高温性能相对优异、热导率高、热膨胀系数低、抗中子辐照肿胀的低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferritic/martensitic steel，RAFM steel)。现有RAFM钢大多数是依据低活化元素选取原则在Cr-Mo系铁素体耐热钢种的基础上发展起来的，但存在热强性差、熔焊接头服役过程容易发生第IV类断裂等问题。本文首先概括了国内外RAFM钢的发展历程、合金化设计原理与组织设计思路、组织演变规律及调控方法，并对RAFM钢的固相连接(扩散连接与搅拌摩擦焊接)进展进行了总结，指出了高热稳定性的纳米级MX相对位错的钉扎作用是实现RAFM钢高温强化的重要因素，分析了RAFM钢冷却过程中板条马氏体非连续转变动力学成因，明确了形变热处理等组织调控技术对RAFM钢性能优化的作用机制，澄清了RAFM钢固相连接接头组织形成与演变规律，指明了高温服役过程中RAFM钢固相连接接头组织演变与断裂失效机制。
