深刻理解定向凝固微观组织演化机制对材料性能预测及新材料开发具有重要指导作用。目前,关于单相二元合金定向凝固界面形态演化的研究已经取得了很大进展,主体理论框架已基本确定,然而平界面失稳过程的动态定量描述、尖端状态选择、胞-枝转变过程、倾斜生长方向选择等细节和关键问题仍没有得到完全解决。这些问题的进一步研究将为定向凝固理论的完善及定向凝固技术的发展提供指导。　　从根本上讲,定向凝固微观组织形态选择是溶质扩散、界面条件及外部控制条件等各种因素相互作用的结果。基于此,本文在不同控制参数条件下,对单相二元合金低速端定向凝固微观组织演化与选择的过程及机制进行了研究,通过理论分析与定量相场计算相结合的方法,有选择性地关注了某些重要理论问题,提出了新的理论模型和选择机制。本文主要研究内容和结论如下:　　1.平界面初始失稳过程的定量描述　　基于时间相关的线性稳定性理论与傅立叶变换,建立了描述平界面失稳过程中界面形态演化的理论模型。定量相场计算和实验结果对该模型的验证表明,该模型可有效预测平界面初始失稳时间与失稳波长。采用该模型研究了抽拉速度和温度梯度对平界面初始失稳过程的影响,结果表明,平界面的初始失稳是界面上背景扰动不断放大的结果;初始失稳时刻和平均扰动波长均随着抽拉速度的增加而增加;初始失稳时刻随着温度梯度的增加先减小后增加,而平均扰动波长随温度梯度的增加而单调增加。　　2.界面能各向异性与平界面初始失稳形态的关系　　建立了界面能各向异性与平界面初始失稳波长之间的定量关系,并探讨了平界面初始失稳扰动波长作为新的评估界面能各向异性特征参量的可行性。平界面初始失稳波长与界面能各向异性强度及晶体生长择优取向与热流方向的夹角密切相关。相场计算与理论模型结果的对比表明,在非线性生长过程中界面能各向异性是导致界面失稳后呈倾斜生长的因素之一。　　3.确定性粘性指胞晶尖端分叉机制　　指出了粘性指胞晶尖端分叉机制是确定性的,而并非是噪声引起的。胞晶尖端分叉对应系统解的不存在,根源于尖端过冷度最小、尖端曲率局部最小及尖端浓度最小这三个条件在胞晶间距过大时失去相容性。提出了描述基于粘性指生长的胞晶形态的重要参数,即尖端半径与有效宽度比。　　4.侧向分枝产生机制　　揭示了自由生长枝晶侧向分枝产生的内在机制:小界面能各向异性条件下侧向分枝生长由系统确定性内在机制决定,侧向分枝为系统解的一部分。在此基础上考察了定向凝固过程中内在机制和噪声对侧向分枝演化过程的影响。结果表明定向凝固过程中侧向分枝产生的内在机制被温度梯度和枝晶间相互作用削弱,背景噪声成为其侧向分枝产生的主要原因。　　5.胞-枝转变的扩散不稳定性模型　　通过考察侧向分枝生长过程控制参数引起的扩散不稳定性,建立了具有明确物理意义的胞-枝转变模型。模型在局部控制参数范围内可简化为标度律,与实验规律一致,定量相场计算结果进一步验证了所建胞-枝转变模型的有效性。　　6.枝晶生长特征尺度的选择　　采用定量相场计算系统研究了定向凝固枝晶的一次间距、尖端状态和初始二次间距的选择机制。枝晶一次间距和尖端状态选择受枝晶间相互作用的影响,而初始二次间距与枝晶间相互作用无关。一次间距的选择与凝固过程(阶跃变速)有关。在枝晶间相互作用很弱时,尖端状态选择完全由界面条件和溶质扩散过程控制。定向凝固中界面能各向异性强度与枝晶尖端状态选择参数间存在幂指数形式的标度律,但与自由枝晶生长有较大差异。初始二次间距仅与抽拉速度满足幂指数形式的标度律。在忽略枝晶间相互作用的前提下,枝晶初始二次间距与尖端半径的比值是界面能各向异性强度的函数,该比值可作为衡量界面能各向异性强度的参考标准。　　7.倾斜生长方向的预测　　根据枝晶倾斜生长方向与枝晶顶端浓度梯度的关系,并通过对枝晶尖端形态的半圆近似和抛物线近似建立了预测枝晶倾斜生长方向的唯象模型,并将该模型扩展至预测倾斜胞晶的生长方向。模型结果与前人数值模拟结果一致。　　8.选晶过程的竞争淘汰机制　　定量研究了倾斜生长过程中尖端过冷度随倾斜生长方向及一次间距的变化规律。倾斜生长枝晶的尖端过冷度随着生长方向偏离热流方向而逐渐减小,且随一次间距的增加近似呈指数衰减。提出了决定选晶过程的溶质相互作用模型,该模型可揭示相邻枝晶列汇聚生长时枝晶列竞争淘汰机制。