Fe-C合金系是目前应用最为广泛的工程结构材料,其力学性能的优劣和使用寿命的长短,与合金铸件在凝固过程中所形成的微观组织有关。用相场法进行合金凝固时微观组织所形成过程的模拟,对优化工艺参数、提高铸件质量,不仅具有重要的理论学术意义,而且也具有重要的工程应用价值。本文采用KKS(Kim,Kim,Suzuki.)模型,基于自由能泛函数推导了纯金属、单相二元合金及多元合金的相场控制方程,并重点对Fe-0.5mol%C单相二元合金等温凝固的相场控制方程和溶质控制方程进行推导。相场模型中考虑了界面各向异性,并引入了诱发侧向分支的扰动项,也为模型确定了合适的边界条件和初始条件等,采用基于均匀网格的有限差分法对控制方程进行了离散。采用基于Visual C++6.0平台的C语言进行编程,实现了用Tecplot10.0和Origin7.0将模拟结果以及凝固特征参数可视化。研究了晶粒的长大过程及各向异性强度对枝晶形貌的影响。结果表明,晶体生长初期,晶粒形貌为球状,随着计算时间的推移,晶粒形貌由球状经星形向枝晶形状转变,最后形成复杂的树枝晶;在不考虑成分过冷的时候,各向异性是使晶粒形貌以枝晶方式生长的最主要原因。研究了过冷度、各向异性强度和扰动强度对枝晶生长形貌的影响。结果表明,随着过冷度的减小,枝晶主干细化,各向异性程度增大,晶粒生长速度减小,溶质扩散层厚度增加,枝晶的最高溶质浓度降低,溶质梯度减小;随着各向异性的增加,晶粒由海藻状转变为枝晶状,枝晶生长速度也随之增大;扰动是引发枝晶的侧向分支的主要原因。各向异性强度和扰动强度均对枝晶溶质分布的影响并不显著。分析了枝晶生长过程中溶质分布情况。结果表明,溶质分布情况均与实际枝晶的溶质分布情况相一致。为了考核模拟结果,对Fe-C合金的凝固过程进行实验研究,并对试样进行了微观组织分析。结果表明,模拟结果与实际凝固结果基本一致,验证了相场模型的正确性。