本文选择工程上应用广泛的包晶合金作为研究对象，研究其在定向凝固条件下，先后发生液固和包晶相变过程的相和微观组织的选择，并采用相场法模拟合金在这两个相变过程的微观组织演化。对理论计算与模拟结果进行了实验验证。　　对于定向凝固的包晶合金，人们常提出以成分和温度梯与生长速率比值作为函数的相和微观组织选择理论模型，来尽可能预测合金在定向生长实验中观察到的异彩纷呈的凝固组织。对于大多数低速生长的合金，需要经历很长一段凝固距离才能达到稳态生长，初始过渡区内的相和组织选择对后续凝固有十分重要的影响。针对当前相选择理论模型建立在相的近稳态生长情况，利用充分形核假设、成分过冷准则以及相稳定生长的最高界面温度判据，建立了纯扩散条件下从初始过渡到接近稳态整个区间的相和微观组织选择理论模型。利用该模型分别计算了Ti-(40-50)Al(at.％)合金达到稳态生长时和Fe-Ni合金在初始过渡区内及达到稳态生长时的相选择图，均与实验结果吻合较好。　　借助上述相选择理论模型确定的定向凝固包晶合金相和微观组织、初始合金成分和生长条件之间的对应关系，采用相场法模拟合金在液固和包晶相变过程组织形态的详细演化。　　在液固相变过程，针对当前液固相变相场模型只适合对理想溶液或稀溶液合金的微观组织演化进行模拟，采用计算相图热力学模型构造凝固体系自由能的方法，建立了适合对各种溶液模型合金液固相变微观组织演化进行模拟的“广义”相场模型，拓宽了相场法的应用范围；同时，提出“邻界面点相场大梯度计算域控制法”，能严格控制计算域，显著提高相场计算效率且误差极小。采用上述模型及计算方法，以具有亚规则溶液模型的Ti-(40-50)Al(at.%)合金为例，模拟其在发生液固相变Lβ→过程，单个晶粒的等温　　和非等温自由枝晶生长，获得了凝固微观组织的动态演化过程，以及与实验观察相吻合的现象，如枝晶臂的粗化和根部颈缩，以及枝晶臂间的碰撞、融合和竞争生长等。对不同生长条件下枝晶尖端溶质分布进行了定量分析，表明，模拟结果与经典凝固理论相符合，说明该“广义”相场模型的准确性。　　模拟了Ti-45Al(at.%)合金在快速 Bridgman定向凝固条件下，发生液固相变过程的界面形态和微观结构的动态演化。表明，当生长速度低于维持高速平界面的绝对稳定速度时，随着生长速度的增大，存在胞状树枝晶向细胞晶的微观结构转变，固液界面处溶质富集程度逐渐减小，溶质分配系数增大且不断向1逼近；当生长速度达到该绝对稳定速度时，初始平界面轻微失稳后将再次恢复为平界面，界面处出现溶质的完全截流，形成接近无偏析结构。模拟还获得了该合金在温度梯度为800K/cm时，随生长速度变化的非平衡溶质分配模型。随后，对Ti-44Al(at.%)合金存在小的边界热交换张量的过冷定向凝固进行模拟。由于凝固潜热的释放和边界热流的交换对体系温度场有“同等”的影响，导致形成胞/枝晶共存的微细结构。模拟还再现了定向凝固实验常观察到的尖端分裂现象，模拟获得的枝晶形态与实验结果吻合较好。　　对定向凝固Ti-Al合金液固相变过程的模拟结果，既与经典凝固理论相符合，又与实验观察相一致，而且还能定量给出非平衡溶质分配信息，充分说明该“广义”相场模型的正确性和有效性。　　在包晶相变过程，针对当前包晶相变相场模型只适合对假想合金的模拟，通过优化体系自由能密度“特征参数”，建立了适合对具体合金包晶相变微观组织演化进行模拟的多相场模型，并以Ti-(40-50)Al(at.%)合金为例，模拟其在纯扩散条件下，形核控制的两相微观组织演化。获得了随形核率和合金初始成分变化的组织选择图，与理论分析相一致。模拟获得的组织形态与实验结果相一致，尤其是带状组织形成规律的模拟与实验结果吻合较好。