外加物理场是调控金属凝固组织的重要手段,大量研究表明超声场和电磁场可以显著细化金属凝固组织,改善金属材料的变形性能和使用性能。外场影响凝固组织的机理之一是外场改变了金属熔体的微观结构,从而影响其凝固形核行为。然而,有关外场影响金属熔体结构的微观机制尚不清楚。因而,深入研究外场对金属熔体结构的影响对理解外场作用下凝固本质至关重要。由于金属熔体大多处于高温状态,对其微观结构进行直接观察与检测十分困难。电阻和热电势作为结构敏感的物理量,是表征金属熔体微观结构变化的重要参数。因此,本文通过对外加物理场(超声场或电磁场)作用下,金属熔体电阻和热电势变化规律的研究,结合凝固组织观察,探索外加物理场对熔体微观结构的影响规律。并从金属电子输运理论和熔体团簇理论解释了其影响机理,为实现外场对凝固组织的精细调控奠定理论基础和实验数据。本文主要研究内容是,设计可连续实时同步检测外场作用下金属熔体电阻和热电势变化的装置；以Pb-Sn合金为对象,研究了超声场和交流磁场对金属熔体电阻和凝固组织的影响规律,探索超声场-电阻-熔体结构-凝固组织之间的关系；在此基础上,以纯Al和Al-X (X=Fe、Cu、Ni、Si)合金为对象,研究了直流磁场对金属熔体电阻和热电势的影响规律,探索了Fe元素含量及合金组元对磁致熔体电阻和热电势变化的影响规律。本文采用改进双向电流四电极法,设计制造了可连续实时同步测量外场致金属熔体电阻和热电势变化的检测装置,并首次实现了超声场或各种电磁场作用下金属熔体电阻和热电势的精确检测。提出了一套外场致熔体结构变化的电阻和热电势表征方法,其中,电阻持久性变化量△r和电势差持久性变化量△u3表征外场致金属熔体结构持久性变化程度；有效时间△t是反映外场导致熔体结构变化稳定性的重要参数。以此方法系统研究并揭示了超声场和各种电磁场对金属熔体结构的影响规律,并通过直流磁场对金属熔体影响的研究发现热电势是比电阻更敏感的熔体结构表征物理量。以Pb-Sn合金为对象,研究了超声参数对金属熔体电阻的影响规律,结果表明,电阻瞬态变化量△R随着超声功率的增加和处理温度的升高而增大,但与超声处理时间无关；△r随着超声功率的增加和处理温度的升高而增大,随着超声处理时间的延长逐渐增大到某一饱和值后保持不变；△t随着超声功率的增加而增大,随着处理温度和处理时间的增加先增大而后减小,存在一个最佳处理温度和最佳处理时间。对于不同Sn含量的Pb-Sn合金,Sn含量越高,超声作用越显著。通过超声场或交流磁场作用下金属熔体电阻的检测及其凝固组织的观察,发现|△r|与凝固组织间存在对应关系,超声场或交流磁场处理金属熔体使其凝固组织细化和均匀化程度随着|△r|的增大而增大。初步揭示了外场-电阻特性-熔体结构-凝固组织间的关系。超声场使熔体电阻减小,而交流磁场使熔体电阻增加,但均导致Pb-80%Sn合金的凝固组织细化,其原因是超声场改变了熔体原子团簇的尺寸和空间分布的均匀性,使体系无序程度减小,从而使体系电阻减小；而交流磁场不仅改变了熔体的原子团簇大小和分布,同时还改变其键合类型,提高Pb-Sn原子团簇的含量,增加体系的成分无序程度,从而使体系电阻增大。对纯Al和Al-X合金熔体的研究表明,直流磁场加载过程中,电阻立刻增大并保持不变,关闭磁场后,电阻快速恢复到初始值。这种磁阻效应与磁场的加载时间长短无关,与体系无序程度密切相关。温度越高,体系无序程度越大,这种磁阻效应越显著。直流磁场能改变纯Al和Al合金熔体的热电势,磁场加载过程中电势差经历快速变化和缓慢变化过程,关闭磁场后电势差又经历剧烈恢复、缓慢恢复和平稳三个阶段。对纯Al,亚共晶和近共晶Al-Fe合金,Al-2.44%Cu及Al-15.5%Si等合金熔体,在液相线附近较低温度施加直流磁场,电势差U减小(热电势S增大)；在远离液相线的较高温度施加直流磁场,电势差U增大。对过共晶Al-2.89%Fe合金和Al-7.37%Ni熔体在本实验的温度范围内,施加直流磁场,电势差U都减小,这可能与两种合金含有较高的过渡族元素有关。实验发现,|△U|、|△u3|和△t随温度的变化趋势与溶质元素种类无关,即|△U|随着温度的升高而逐渐增大,|△u3|和△t随着温度的升高先增大后减小,两个极值点对应的温度相近,但极值点位置因溶质元素种类不同而有所差别。Al-Fe合金极值点在液相线附近,Al-Cu和Al-Si合金极值点在液相线上30℃左右,Al-Ni合金对应的极值点在液相线上50℃左右。对于Al-2.89%Fe合金而言,随着直流磁场处理时间的延长,|△U|逐渐增大后达到一个饱和值,而|△u3|和△t均逐渐增大。随着磁感应强度的增大,|△U|、|△u3|和△t均逐渐增大。对金属熔体施加直流磁场,熔体中产生两种磁效应：量子磁效应和经典磁效应。其中量子磁效应改变了熔体中扩展态电子数密度及其分布,量子磁效应与温度无关；经典磁效应只改变扩展态电子分布,不改变其数密度,温度越高经典磁效应越强烈。这两种磁效应的综合作用是造成以上金属熔体电性能变化的根本原因。