本文综合利用第一性原理分子动力学和X射线衍射(XRD)相结合手段,探讨了同类或者异类原子组成的团簇对金属熔体结构的影响机理；再通过快速凝固技术,揭示了合金熔体中原子团簇类型在凝固过程中的作用和对凝固组织结构的影响规律,从原子团簇演化方面进一步探索了凝固的本质。首先,研究了纯金属熔体团簇结构,利用原子团簇结构解释了纯Ga和纯In熔体双体相关函数(PCF)的区别。In熔体双体相关函数的第一峰比Ga熔体的更高和更宽,说明In熔体的近程有序度要高于Ga熔体并且具有比Ga熔体更松散的结构。两种熔体的键角分布函数上105°处都存在第二峰,In熔体中保留了类体心四方结构团簇；In熔体的第二峰比Ga熔体的高,使得其结构比Ga熔体更有序。通过Voronoi多面体(VP)分析,纯Ga熔体中,高边数VP构型使得结构更加密堆,双体相关函数第一峰更陡峭；纯In熔体中,低边数VP构型使其结构更开放,双体相关函数第一峰变的更宽。其次,利用从头算分子动力学(AMD)研究了三个不同特点的Fe-B、Ga-In和In-Sn二元合金体系熔体中原子团簇类型。在Fe-B合金熔体中,解释Fe80B20合金熔体双体相关函数第二峰肩膀的存在。三角棱柱和由它衍生的B原子为中心的团簇在Fe80B20合金熔体中占主导地位,这个肩膀是由于团簇连接模式的不平等性造成的。对于Ga-In合金熔体,gGaGa(r)、gInIn(r)的第一峰的位置分别与纯Ga和纯In熔体的第一峰位置接近并且不随成分变化,gGaIn(r)第一峰位置大于纯Ga和纯In熔体的第一峰位置的平均值,说明Ga-In合金熔体中异类原子相互排斥,同类原子组成的团簇更容易出现。在纯Ga、纯In中占据最高含量的1311键对在合金熔体中仍然占主导地位,说明GaGa、InIn团簇共存于Ga-In合金熔体中。VP分析发现,随着In含量的增加,在Ga100-xInx(30≤x<50at.%)区域内,Ga原子周围含量最高的配位数出现突变,由12降为10,表明GaGa和InIn团簇倾向于分离。对于In-Sn二元合金熔体,gInSn(r)第一峰的位置小于纯In熔体第一峰位置和纯Sn熔体第一峰位置的平均值,说明In和Sn原子之间存在键合。偏配位数NInIn和NInSn与合金成分成线性关系变化,In周围原子排列符合无规密堆(RCP)模型,结果还表明Sn-Sn共价键团簇的存在使Sn周围的原子分布比较开放。键角分布函数gInSnIn(θ)和gSnInSn(θ)上两个主峰在56°和105°左右,意味着合金熔体中In和Sn之间以四面体团簇的形式存在。In-Sn合金熔体可以看做是Sn-Sn共价键团簇和无规密堆团簇的混合体。最后,研究了合金熔体中原子团簇在凝固过程中的作用。通过XRD获取了Ga10o-xInx(0<x≤21at.%)合金和纯Ga在373K和298K时的结构。结构因子曲线表明,373K时,Ga-In合金熔体结构偏离了RCP模型。当温度降低到298K时,合金结构接近RCP模型。通过AIMD计算,合金熔体中Ga原子的配位层中元素含量与合金名义成分接近,受温度变化的影响很小；In原子周围的In含量要高于合金明显成分,出现同类原子团簇偏聚行为,温度的降低使得团簇偏聚程度减小。Inln团簇在合金熔体冷却过程中的演变是合金熔体结构变化的决定因素。通过AIMD计算把合金熔体划分为两类：第一类,主要由同类原子团簇组成的熔体,比如Al95In5熔体,异类原子倾向于形成拓扑有序结构；第二类,熔体中异类原子结合力强烈,比如Al90Cu10和Al84Ni16熔体。利用单锟激冷装置制备出Al95In5、 Al90Cu10、Al84Ni16、Cu6Sn5和Ga20Sn80合金快速凝固条带。采用X射线衍射、场发射扫描电镜(FESEM)结合x射线能量色散光谱仪(EDX)设备对条带进行了形貌和成分分析。结果表明,当熔体中异类原子的结合能力强时,比如Al90Cu10、Al84Ni16和Cu6Sn5熔体,快速凝固条带中会出现金属间化合物,计算发现Al90Cu10熔体中存在类晶态Al2Cu原子团簇,这些团簇在快速凝固过程中转化Al2Cu金属间化合物；熔体中同类原子团簇容易出现时,比如Al95In5和Ga20Sn80熔体,快速凝固条带出现元素微观不均匀分布。