学术动态|王锦程教授团队在Int. J. Plast.发表研究成果：机器学习结合原位μDIC揭示影响不完全再结晶合金力学性能的潜在因素及内在机制

获得兼具优良强度与塑性的合金，一直是金属结构材料研究的核心目标。不完全再结晶组织在提升合金力学性能方面展现出显著优势。当前主流观点认为，随着再结晶分数的增加，合金强度逐渐降低，塑性逐渐提升。然而，研究发现，在再结晶分数相同的同种合金中，其力学性能也存在明显差异。针对这一现象，实验室王锦程教授团队对影响不完全再结晶合金力学性能的组织信息进行特征提取，并利用机器学习方法对多种组织特征与力学性能之间的相关性进行排序。结果表明，再结晶软区与未再结晶硬区之间的界面对力学性能的影响最为显著。进一步结合微区数字图像相关（μDIC）与纳米压痕技术，本研究验证并揭示了该界面影响合金强度与塑性的内在机制。

研究综合运用了机器学习、微观数字图像相关技术（μDIC）、电子背散射衍射（EBSD）及透射电子显微镜（TEM）等多尺度先进表征手段，不仅揭示了部分再结晶合金的形态特征与力学性能之间的关系，还提出了一种将机器学习与实验验证相结合来研究微观组织-性能关系的新范式。研究成果以“Boundary of hard and soft zones of a partially recrystallized alloy determines the strength‑ductility trade‑off: a machine learning study”发表于塑性领域国际著名期刊《International Journal of Plasticity》。改工作由杨中晟博士和陈一鸣博士生为论文共同一作，何峰教授，王志军教授为通讯作者，西北工业大学凝固技术全国重点实验室为唯一通讯单位。

图片摘要

图1:不完全再结晶合金力学性能分析和揭示微观组织和力学性能相关性的机器学习模型

图2:具有相似再结晶分数但不同软-硬界面密度的不完全再结晶合金微观组织与力学性能

图3:具有不同软-硬界面密度的不完全再结晶合金的异质变形诱导应力和KAM分布

图4:大区域高精度μDIC测量不同软-硬界面密度合金的应变分布与应变梯度

图5:不同软-硬界面密度、应变分布及量化应变梯度的示意图

通过基于机器学习的筛选和精心设计的变量控制实验，本研究确定了软再结晶区与硬未再结晶区之间的界面是调控部分再结晶合金力学性能的关键。利用大视场、高分辨率的微区数字图像相关（μDIC）技术，进一步阐明了微观组织与性能之间的关系。增加的界面密度打破了部分再结晶合金中强度与延展性之间的权衡关系。高密度的软-硬界面能够激发局部应变累积，产生高应变梯度及高密度的几何必要位错（GND），从而赋予材料高应变硬化能力和高延展性。此外，本研究建立了基于应变梯度的异质变形诱导应力的定量模型，将软-硬界面的密度与应变梯度及应变硬化能力相关联。未来，研究团队将继续采用高精度表征技术结合机器学习人工智能以及有限元模拟方法，解决金属结构材料成分设计、组织优化、机制分析以及性能提升具体问题。

王锦程，西北工业大学教授、博士生导师，中国材料研究学会凝固科学与技术分会常务理事、西安市铸造学会常务理事。2001年在西北工业大学获工学博士学位，2002-2004年在日本国家物质材料研究机构（NIMS）从事博士后研究，2009和2010年在日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）作访问学者。目前主要从事增材制造、多尺度计算模拟、合金设计等方面的研究工作。2009年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。曾先后主持多项国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技部973计划、国家武器装备预研科学基金及航空科学基金等的研究工作。以第一作者或通讯作者身份在Nat Comm、Acta Mater、Int J Plasticity、Addi Manuf等领域顶刊发表SCI论文200余篇，授权发明专利20余项，出版英文学术专著1部、教材4部，获陕西省自然科学二等奖及陕西省科学技术二等奖各1项。指导已毕业博士研究生20余人，硕士研究生50余人，其中3人获陕西省优秀博士论文，洪堡学者及香江学者各1人。

何峰，西北工业大学教授，博士生导师。中国科协第九届“青年人才托举工程”（科协资助）、陕西省“三秦英才”青年人才项目、上海市“青年科技英才扬帆计划”及陕西省优秀博士论文入选者，中国材料研究学会青年工作委员会理事，增材制造材料分会专业委员会委员，冶金领域高水平期刊Journal of Materials Science and Technology青年编委。2019年获西北工业大学博士学位，2018-2019年于麻省理工联合培养，2019-2021于香港城市大学从事博后研究。主要研究方向为 “先进金属材料的强韧化设计与增材制造”。主持参与国家自然科学基金、ZF共用技术、省部级等项目10余项，以第一或通讯作者发表Nature Communications（2篇）, Acta Materialia（3篇）, International Journal of Plasticty（6篇）, Additive Manufacturing（3篇）, Journal of Material Science and Technology（5篇）和Scripta Materialia（7 篇）中科院1区论文20篇，其它论文70余篇，其中高被引6篇，热点论文1篇，封面论文1篇，单篇最高被引535次，单篇他引过百论文20篇，谷歌学术H因子43，已获授权国家发明专利5项。论文被美、英、德、日等41个国家和地区，麻省理工、剑桥大学、马普所、日本东北大学等研究机构在Nature等期刊引用3500余次。

王志军，西北工业大学教授，博士生导师。主要研究领域涉及高熵合金设计与制备、凝固理论与技术、微观组织演化、金属增材制造后处理。近年来先后主持国防项目、国家自然科学基金项目、陕西省杰出青年科学基金，核动力院、航材院、航天八院、豪迈机械等单位协作课题10多项；作为主要成员参加国家重点研发计划专项、国家重点基础研究计划（973 计划）专题项目1项；获得陕西省自然科学二等奖一项（排名第 2）；出版中文教材1部（获批工业和信息化部“十四五”规划教材），在Nat Commun、Acta Mater、Scripta Mater、Appl Phys Lett、Phys Rev E等国际一流期刊发表论文300余篇，谷歌学术引用9000余次，H因子46；获授权中国发明专利15项，获得软件著作权 2 项。

材料微观组织计算与合金设计课题组(http://www.jchwang.com/)以凝固技术国家重点实验室和金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室为依托，长期开展凝固过程多尺度计算模拟、增材制造凝固组织控制及强韧化设计、材料信息学与合金设计、高熵合金与新材料研发等方面的研究工作。课题组现有教授5人、副教授1人，其中国家级青年人才2人，在读研究生50余人，已发展成为研究方向明确、学术气氛浓厚、科研条件完善、富有创新性和凝聚力的学术团队。

课题组近年来先后承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、973计划、JKW、ZF等国家及省部级科研项目40余项，在Nat Comm、Acta Mater、Int J Plasticity、Addi Manuf等领域顶刊发表SCI论文300余篇，授权发明专利20余项，出版英文学术专著1部、教材4部，获陕西省自然科学二等奖及陕西省科学技术二等奖各1项。已毕业博士20余人，其中获陕西省优秀博士论文3人、洪堡学者1人及香江学者1人。

图文 | 杨中晟

编辑 | 冯芳

责编 | 何峰

审核 | 禹亮