梯度强磁场对合金产生驱动力，在这一驱动力作用下合金凝固组织发生很大变化，如初生相晶粒迁移等，对此研究可为制备自生复合材料和功能梯度材料开辟新的途径，也为金属熔炼中去除夹杂物提供新的思路和方法。因此，深入研究磁场影响析出相粒子的迁移、细化和分布的规律具有重要意义。本文以工业常用的过共晶Al-Si合金为对象，开展了梯度强磁场下合金凝固规律的研究。本文第一部分实验研究了过共晶铝硅合金的初晶硅颗粒在梯度强磁场下的迁移行为，特别注意了分别考察磁场强度和磁场梯度的各自影响，在此基础上建立了相应的理论模型。研究结果表明，磁场梯度一定，磁场强度只有达到某一特定值时，初晶硅的迁移才会发生。随着磁场强度的增加，初晶硅发生迁移并形成偏聚层。但当磁场强度超过某一值后，磁场强度的进一步增大对初晶硅迁移的影响变小，表明磁场强度的影响趋于饱和。保持磁化力基本相同，磁场强度增大，迁移程度减小，表明静磁场对初生相的迁移有阻碍作用。磁场强度不变，随着磁场梯度的增大，初晶硅的偏聚量增加，晶粒尺寸变小。理论分析得到熔体的有效粘度与磁感应强度的关系：η′=η+kB_z~2，理论分析较好地解释了实验结果。论文第二部分对强梯度磁场下金属熔体中析出相晶粒迁移的动力学规律进行了理论研究。求解了上述模型的动力学方程，得到迁移速度的解析解和迁移距离的分析解，分别为：定义了晶粒的迁移率，并导出其表达式，即：上式说明，迁移距离和迁移率与磁场分布密切相关。凝固过程中淬火实验结果表明：晶粒半径大于等于40μm的初晶硅在120s内大部分完成迁移，与理论计算吻合。本文第三部分实验研究了磁场强度和恒温时间对半熔态Al-18％Si合金中偏聚初晶硅晶粒尺寸的影响。结果表明：无磁场时初晶硅为粗大的板条状或五星状，施加梯度磁场时偏聚初晶硅呈弥散分布的等轴多边形，初晶硅显著细化。当磁化力维持不变时，偏聚初晶硅晶粒尺寸随磁场强度的增大而减小，晶粒数量密度随磁场强度的增加而增大。实验结果表明强磁场影响Si原子扩散。对磁场抑制扩散及初晶硅的受力进行了理论分析，分别导出了扩散系数以及晶粒受到的排斥力与磁场强度的关系为：较好地解释了实验结果。实验发现，偏聚层中硅颗粒分布均匀，其间距相近。建立了硅颗粒的分布的模型，得到了偏聚初晶硅晶粒间距与磁场的关系，即：结果与实验吻合。表明偏聚初晶硅晶粒间的磁排斥力与晶粒的磁化力具有相同的数量级，二者的相互作用导致了初晶硅的均匀分布。论文第四部分研究了强磁场对全熔态过共晶Al-Si合金中初晶硅及共晶组织的影响。结果表明，施加梯度磁场时，全熔态凝固的初晶硅发生不同程度的迁移，但没有形成偏聚层，原因是合金处于半固态的时间较短，初晶硅没有足够的时间进行迁移，和理论计算结果一致。无磁场时初晶硅沿试样周边析出，施加恒定磁场时，初晶硅基本上分布于整个试样截面，磁场强度为7T时，析出的初晶硅尺寸较小。对磁场影响初晶硅形核率进行理论分析表明，随着磁场强度的增加，初晶硅形核率有极值存在，可定性地解释实验结果。金相分析表明共晶组织层片间距随着磁场强度的增加而减小，原因是磁场抑制对流和扩散。用扫描电镜对共晶硅进行形貌观察，结果表明，无磁场时为粗短棒状，分布稀疏；施加5～12T恒定磁场时，共晶硅为细而长的棒状、分布密集，预示强磁场细化了共晶硅。测定铝硅合金在不同磁场条件下的凝固曲线，结果表明磁场对合金降温速度没有影响，表示实验中磁场对传热影响很小，可忽略。因此，初晶硅和共晶硅的细化不是降温速度方面的原因所产生的，进一步表明磁场导致扩散降低，从而使组织细化。凝固曲线的测定还表明，施加恒定强磁场和梯度强磁场时，共晶凝固点的温度均有不同程度的升高。原因是磁场影响形核率，使共晶硅析出量增大，改变了共晶凝固点的成分。本文最后还阐明了梯度磁场下初生硅颗粒生长的基本规律。在梯度磁场中，当硅颗粒因磁化力的作用聚集但不接触聚合时，在长大过程中迅速消耗周围硅溶质，因而难以长大；当硅颗粒不发生聚集时，因周围硅溶质供应充足，因而硅颗粒充分生长，形成粗大硅颗粒。