磁场下的凝固科学作为一门新兴的交叉学科近几十年受到了广泛关注,并取得了一定的研究成果。本文应用定向凝固技术作为研究手段,以多种合金作为研究对象,研究了横向弱磁场(B≤0.8 T)和纵向强磁场(B≤12 T)对金属合金定向凝固过程的影响,并结合先进检测手段(EBSD)、数值模拟和同步辐射原位观察等方法,深入探讨了静磁场对金属合金定向凝固过程的作用,由此建立了相应的理论模型,得到了一些新的研究成果。(1)以横向磁场下二元合金的枝晶生长作为研究对象,发现横向磁场导致定向凝固组织固/液界面发生规则倾斜,并在较高磁场下导致枝晶组织中形成通道偏析。随着磁场强度的增大,一次枝晶间距和糊状区长度逐渐减小。在Al-7wt%Si合金定向凝固中,横向磁场减少了枝晶组织中的断裂枝晶数量。通过理论分析和数值模拟研究了不同特征尺度下热电磁流随磁场强度变化的规律,发现热电磁流随磁场强度增大升高至最大值后逐渐减小。特征尺度越大,达到热电磁流极值对应的磁场强度越小。这里,热电磁流动促使溶质原子迁移是导致上述现象的主要原因。(2)以变质Al-10wt%Cu合金和变质Al-18wt%Si合金为研究对象,研究了横向磁场对定向凝固过程中初生相Α-Al晶体和Si颗粒运动的影响,发现磁场导致初生相颗粒在试样径向尺度分布呈梯度变化的现象。理论分析和数值模拟表明,初生相晶体上受到的热电磁力是诱发初生相颗粒迁移的原因,热电磁力随磁场强度、温度梯度的增大而逐渐增大。同步辐射实验更直接证实了热电磁力的存在及其对初生相颗粒运动的影响。(3)以纵向强磁场下二元合金的枝晶生长作为研究对象,发现在较低生长速度和较强磁场强度下规则枝晶生长容易被破坏,形成等轴晶组织。数值模拟显示,枝晶上受到的热电磁力随磁场强度增加逐渐增大,当枝晶上受到的应力足够大时,枝晶发生断裂。具有磁晶各向异性的断裂等轴晶在强磁场中受磁化力作用会重新取向,沿其易磁化轴方向取向排列,形成取向等轴晶组织。(4)以纵向强磁场下三元Al-Cu-Ag共晶合金定向凝固生长作为研究对象。对于两相单变量共晶生长(L→α(Al)+Al2Cu),发现随着磁场强度的增大,单变量共晶胞间距逐渐减小直至消失,磁场提高了共晶界面稳定性;对于三相非变量共晶生长(L→α(Al)+Al2Cu+Ag2Al),强磁场减小了三相共晶间距并导致带状组织形成。分析表明,强磁场影响了溶质原子的扩散,进而改变共晶间距,形成带状组织。此外,施加磁场对共晶的晶体学特征有一定影响。在较低生长速度下,强磁场促使三元共晶配位关系发生变化。作者认为强磁场改变了共晶间界面能,进而导致了共晶配位关系的改变。