微观组织数值模拟对金属材料的发展和应用具有非常重要的意义,是计算机应用于材料科学领域的主要发展方向。随着计算机技术的迅速发展,对微观组织模拟技术提出了越来越高的要求。目前,国内外学者们已就不同材料进行了大量研究工作。其中,金属凝固过程是比较典型的一类问题。对于微观组织的数值模拟,通常采用确定性方法,随机方法和相场法3类。其中,相场法作为描述非平衡状态下复杂相界面演化的有力工具,无需追踪复杂固液界面,即可实现对金属凝固时枝晶长大复杂形态的模拟,是当今凝固组织模拟国际上最前沿的研究方向。本文通过相场法模拟结合实验验证,对合金定向凝固过程的枝晶生长,以及由此产生的枝晶微观结构的形态多样性进行了研究,为最终达到铸件机械性能预测打好基础。通过对已有二元合金相场模型进行全面分析,以金兹堡—朗道（Ginzberg-Landau）相变理论为基础,推导出改进二元合金的相场模型,并建立薄界面约束下相场参数和材料热物性参数之间的联系,同时研究了拉伸速度、噪声、Zn浓度和各向异性强度等对模拟结果的影响;以Al-Zn合金为研究对象,以不同拉伸速度,不同Zn浓度定向凝固,开展实验验证研究,同时对合金凝固后的样品进行了分析研究。试验结果表明:枝晶形貌及枝晶择优长大取向,以及它们随参数变化的规律,均与相场法仿真结果基本一致。（1）模拟了不同拉伸速度和噪声下Al-Zn二元合金定向凝固过程柱状枝晶的生长,重现了柱状枝晶在长大过程中侧向分支竞争长大及溶质偏析现象,并从实验上证实了拉伸速度对于枝晶长大取向的影响。研究发现:在相同拉伸应变下,随着加载速率的增大,一次枝晶臂间距减小;当施加较高应力时,二次枝晶臂间距反而变大。拉伸速度在二次枝晶缝隙处引起溶质富集,从而引起枝晶竞争长大与融合现象,噪声影响二次枝晶在主枝晶双侧对称性长大,使枝晶双侧形貌差异性更大,而对枝晶尖端形貌影响微妙。实验结果与模拟结果相吻合。（2）模拟了不同Zn浓度对Al-Zn二元合金定向凝固过程柱状枝晶生长形貌的影响,并进行了实验验证。定向凝固过程中Al-Zn的固-液界面能随Zn含量的增加连续改变,随着Zn浓度的增加,在{100}面上枝晶的生长方向会从?100?到?110?持续改变。Zn浓度在25%和55%之间时,存在枝晶生长取向为?320?的树枝晶和海藻晶。这种枝晶取向转变的原因是该Al-Zn合金体系在初生体心立方Al相中固溶了密排六方金属Zn相,从而增强了其固液界面能各向异性。（3）模拟了不同各向异性参数对Al-Zn二元合金定向凝固过程柱状枝晶生长形貌的影响。随着各向异性参数的变化,柱状枝晶生长方向从?100?枝晶到海藻晶,再到?110?择优生长方向的转变与实验中观察到的类似。