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高强度超高强度不锈钢由于具有良好的强韧性能匹配度、可焊接性、热加工性和较好的耐蚀性而被广泛应用,其中高强度马氏体时效不锈钢常用于制作机翼大梁、潜艇动力耐蚀零件及压缩机叶轮等。这类钢的典型钢种有17-4PH、Fv520和Custom465等，都是在Fe-Ni-Cr三元体系基础上添加少量的C、Mo、Ti、Nb、Cu等合金化元素形成的,通过高温固溶淬火得到马氏体基体,随后再进行低温时效处理,在马氏体基体中析出以碳化物({Fe-Ni-Cr}-C系列)、金属间化合物({Fe-Ni-Cr}-M系列)为主的强化相,达到强化目的。其中以碳化物为主进行时效强化的也可称为马氏体沉淀硬化不锈钢(含C量约为0.1wt.%)。合金化组元的添加种类及其添加含量都是为了实现材料的某些特殊性能,然多个组元添加的成分复杂性给探索新合金带来了不便。故本文工作以Fe-Ni-Cr基马氏体时效不锈钢为研究对象,根据“团簇加连接原子”结构模型设计多元合金成分。首先通过解析现有典型的马氏体不锈钢成分,给出马氏体时效不锈钢多元化的成分规律,建立多元化的马氏体时效不锈钢团簇成分式；然后根据团簇成分式设计合金成分,并对其进行系列性能测试,最后实现超高强度马氏体时效不锈钢的成分优化,获得性能优越的新合金。在Ar气保护下,利用真空自耗电弧炉多次熔炼配制的母合金,并用铜模吸铸得到直径为6mm的合金棒材,进而对{Fe-Ni-Cr}-C系列铸态合金棒在1323K固溶2h,水淬,并在753K时效4h；对{Fe-Ni-Cr}-M系列铸态合金棒在1273K固溶1h,水淬,并在783K时效3h。分别对不同状态下的合金进行XRD、OM、SEM检测分析,以确定合金的结构和微观组织形貌：并同时对合金棒进行显微硬度、静态拉伸、电化学腐蚀测试；最后利用随机森林算法对所得实验结果构成的样本空间进行学习再计算和预测合金的显微硬度。所得结论如下：(1)利用“团簇加连接原子”结构模型,并结合合金化元素M与基体Fe之间的混合焓AHM.Fe,确定了马氏体不锈钢的基础团簇式,为[NiFe12]Cr3.其中,[NiFe12]为FCC结构中以Ni为心、周围被12个Fe原子包围形成的立方八面体团簇,Cr为连接原子,此时恰对应Fe-Ni-Cr奥氏体稳定的最低下限成分。为体现微量合金化元素在团簇成分式中的添加,将基础式[NiFe12]Cr3自恰放大,得到[Ni16Fe192]Cr48,并采用相似组元替代原则添加其它元素。在以碳化物为主要强化的马氏体时效不锈钢中,团簇成分式为{[(Ni,Cu)16Fe192](Cr,Mo,Nb48)Cl:在以金属间化合物Ni3M为主要强化的马氏体时效不锈钢中,为弥补Ni3M析出所消耗的Ni量,其团簇成分式为[Ni,Cu)16Fe192](Cr32Ni16-x-y-z-m-nTixMoyVzNbmAln)。(2)在以碳化物为主要强化的马氏体时效不锈钢中,固溶和时效后的系列合金组织和性能随合金化组元的添加种类及其含量发生变化：其中{[(Ni13Cu3)Fe192](Cr45Mo2.5Nb0.5)}C1合金(Fe74.92Ni5.33Cu1.33Cr16.35Mo1.67Nb0.32C0.08Wt.%)在时效处理后具有高的硬度和拉伸强度,分别为Hv=397,σ0.2=971MPa和σb=1093MPa,且在3.5%NaCl中性盐水溶液中具有优良的耐蚀性能。在以金属间化合物Ni3M为主要强化相的马氏体时效不锈钢中,时效后的[(Cu4Ni12)Fe192](Cr32(Ni8.5Mo2Ti2Nb0.5Al1V1))合金(Fe74.91Ni8.82Cr11.62Mo1.34Ti0.67Nb0.32Al0.19V0.36Cu1.78wt.%)的力学性能与耐蚀性能匹配最好,其性能参数分别为：Hv=488, σ0.2=1417Mpa,σb=1494MPa, Ecorr=-0.334V, Eb=0.318V,icorr=0.804uA/cm2。(3)合金的原子尺寸Ra、团簇式电子数VEC与宏观力学性能(显微硬度Hv)表现为单一线性关系,可预测合金固溶与时效处理后的硬度差别；同时根据此线性关系可确定具有最佳性能合金微量元素M (M=Ti,Nb, Al, V)的添加总量,约为1.8wt.%,可为工业大规模冶炼提供更为直接的参考。(4)根据现有实验结果,结合随机森林算法可很好地模拟和预测新合金的显微硬度,从而减少合金设计过程中冗繁的反复试验。