弥散分布的钛氧化物作为“氧化物冶金技术”应用中的重要角色,以其作为核心形成的复合夹杂可以成为晶内铁素体的析出核心,起到对晶粒细化的作用。合理控制钛氧化物的尺寸、数量及类型,能够起到改善钢材组织的作用。这就需要对钛氧化物的形成过程准确而深刻地理解,才能进一步在实践中提出合理控制的解决方案并指导工业生产。本课题采用急冷技术冻结熔态铁-钛合金中的钛氧团簇,利用三维原子探针技术及第一性原理模拟计算分析该合金中钛氧化物的赋存形式。提取溶质原子的空间坐标,构建钛氧化物团簇结构;获得其数量与分布;揭示钛氧化物团簇结构演变规律;提出钛氧化物形核的基元-团簇辅助形核机制。基于试验结果搭建熔池环境中钛氧化物形核的物理模型,研究基元-团簇的碰撞长大路径,计算核心的数量密度、形核率等参数,进一步揭示钛氧化物从基元向团簇演变的形核过程。本文首先利用三维原子探针技术研究了铁-钛合金中溶质元素的分布、近邻关系以及Ti、O元素主要存在形式。首次证实了TiO基元的存在,还发现了O原子与TiO基元产生共聚现象,证明了O原子与TiO基元之间存在相互吸引的作用。计算了溶质间的近邻分布状态,证实了TiO与TiO、O与O之间均存在聚集的倾向。发现了非TiO聚集区中TiO小团簇结构表现出一定的遗传性,例如长链状及立体状。第一性原理计算也证实了TiO基元结构的存在,计算得到的团簇结构与试验获得的团簇结构极为相符,推导出在小尺寸团簇长大时,结构倾向于维持Ti/O=1的比例关系。证实了在铁-钛合金的TiO聚集区中TiO团簇的数量密度主要与O含量有关。基于TiO团簇空间分布结果,阐明了钛氧化物的形核过程遵循团簇聚集长大的方式。计算了TiO团簇的基元平均回旋半径,判定了含有2-10个基元的团簇为小团簇,证实了大团簇存在结构起伏。在试验结果的基础上,提出团簇辅助形核机制:TiO基元逐步聚集形成TiO团簇,O原子随后向TiO团簇聚拢,并不断迁入,Ti原子不断聚集并被排出,最后完成钛氧化物的形核过程。搭建团簇碰撞长大物理模型,推导出基元-团簇的碰撞长大路径,研究了核心数量密度、形核率、基元转移方式及团簇数量随时间的演变规律。将形核过程划分为三个阶段:Ⅰ阶段（0<t<1 ns）为孵化期,大量TiO从游离态基元通过聚集碰撞长大的方式逐渐转移至小团簇中,形核率接近0;Ⅱ阶段（1 ns<t<100 ns）为增殖期,大团簇快速生成,其形成速率先上升后下降;Ⅲ阶段（100 ns<t）为稳定期,核心数量及形核率不再发生变化,且尺寸越大的大团簇,数量密度越低。氧位越高,核心数量密度及形核率越早开始快速增长,增长的速度也越快,形核率达到的峰值也越高,并且稳定期核心数量密度越高。当氧位超过5×10-3wt.%,对提升形核率的助益不再显著,建议形核率提升的控氧区间不超过5×10-3wt.%,能达到的形核率峰值为6.07×1029个·s-1·m-3。上述试验及理论研究的开展,确认了在钛氧化物形核阶段微观结构数量、尺寸及分布的演变规律,推演了预形核时期钛氧团簇的演变路径,计算了氧位对氧化物形核率的作用规律,并提出了基元-团簇的二步形核机制,为在实践中合理控制氧化物的形成及数量提供了理论指导。