液态金属的凝固过程涉及到宏/微观不同尺度复杂的物理变化,研究金属材料的凝固过程对理解组织形成原理、改善优化工艺具有重要的意义。凝固过程的宏/微观之间常常伴随着温度场不均匀分布、熔体流场紊流效应、枝晶的形核和生长等,通过不同的数值模型可以揭示上述复杂的反应过程,再现凝固的宏观物理场分布和微观组织场的动态演化过程。本文基于振动激发金属液形核技术,采用元胞自动机（Celluar Auotomaton,CA）方法建立了铁素体不锈钢Cr17的二维凝固组织模型,同时耦合宏观温度场研究了熔体微观区域枝晶的形核和长大行为。论文的主要内容和结果如下:结合显式有限差分方法（Finite difference method,FDM）和元胞自动机模型建立了枝晶生长的CA-FDM算法,综合考虑以溶质扩散为主要驱动力的生长动力学机制,包含溶质成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性函数对枝晶生长的影响。通过优化曲率算法并采用Zigzag元胞捕获规则,降低了CA算法的网格各向异性问题。通过耦合宏观温度场,采用异质形核模型、微观枝晶生长算法,模拟了振动激发金属液形核技术工艺参数对微观组织的影响,揭示了晶核发生器表面微观区域内枝晶的竞争生长过程;分析了晶核发生器表面过冷度和振动频率对内部等轴晶区域的占比、等轴晶平均晶粒尺寸大小、柱状晶区长度等的影响。随着晶核发生器振动频率的增加,熔体中加剧的不规则紊流效应有利于枝晶的碎断和迁移,增加了熔体中异质晶核数量,有效促进了柱状晶向等轴晶的转变过程。晶核发生器振动频率为1000 Hz、表面过冷度为300～400 K时,熔体中温度梯度小,柱状晶前沿形成较宽的溶质过冷区,有利于柱状晶向等轴晶转变;当过冷度继续增大,熔体中温度梯度增加,柱状晶前沿的等轴晶形核区域范围减小,利于柱状晶的定向生长。当过冷度一定时,提高振动频率有利于等轴晶区域扩大,柱状晶区域发展被限制。其主要原因为:随着振动外力的增强,熔体中的对流搅拌作用增强,初生的枝晶在外力作用下破碎,在后续的凝固过程中枝晶碎片作为异质形核衬底,对流作用的增强能够降低了熔体中的温度梯度,使大部分熔体达到异质形核的过冷度。