枝晶是金属凝固过程中最常见的晶体生长形貌。枝晶的生长过程也是一个高度非线性的自组装过程,因而受到了材料学家、冶金学家、数学家以及物理学家的广泛关注。研究表明,深过冷快速凝固过程中施加磁场可以增大枝晶与熔体间的温度梯度,促进枝晶周围的热电磁对流,从而改变枝晶生长动力学和枝晶形貌。在梯度磁场下,因为磁化率差异形成的Kelvin力还会进一步改变熔体对流。因此,本文对均匀磁场和梯度磁场条件下深过冷纯钴熔体内的枝晶生长动力学进行了实验观测和理论计算,旨在定量分析磁场影响枝晶生长的规律和机理。本文首先采用熔融玻璃净化法实现了纯钴熔体在均匀和梯度静磁场下的的深过冷和快速凝固,采用高速摄影机对样品的快速凝固过程进行了原位观测,通过图像分析获得了过冷熔体中枝晶生长速率与过冷度之间的定量关系。然后,以无磁场下的枝晶生长速率为基准,将均匀和梯度磁场下的枝晶生长速率进行归一化处理,确定了磁场强度和梯度对枝晶生长速率的影响规律。最后,采用对流条件下三维枝晶生长模型分析计算了不同磁场条件下磁场产生的对流速率的大小,讨论了磁场影响枝晶生长动力学的主导机理。获得的主要结论如下:均匀和梯度磁场都能改变枝晶取向,但是均匀磁场的影响较为明显。随着磁场强度的增加,均匀磁场下的枝晶沿平行于赤道面方向生长和沿与赤道面成一定角度方向生长比例减小,而沿垂直于赤道面方向生长的比例增加,但梯度磁场下的枝晶沿与赤道面成一定角度方向生长的比例变化不大。分析认为是纯钴的铁磁性以及梯度磁场下的磁场强度衰减导致的。在小过冷条件下（ΔT≤150 K）,均匀和正、负梯度磁场条件下的枝晶生长速率随着磁场强度的增加先减小后增加,之后遵循“正弦波“规律变化,枝晶生长速率变化最大的临界磁场处的枝晶生长速率分别为最大值、最小值和最大值,这些极值对应的临界磁场不随磁场的梯度大小和方向而变,均为5 T、1T和3 T;大过冷度下,枝晶生长速率随磁场的变化与小过冷度下相反,且变化程度偏小。实验数据的理论计算结果表明,熔体内对流与磁场和过冷度密切相关。熔体内的对流达到动态平衡时所对应的点称为对流极值点,对流速率为零时所对应的点称为零对流速率点。施加均匀磁场时,随过冷度的增大,对流先与枝晶生长同向增强,达到极值点之后减弱,最后与枝晶生长反向增强。低磁场下（B≤3 T）,对流极值点和零对流速率点处的过冷度随磁场强度的增大而向大过冷度方向移动,对应的对流增强;高磁场下（B≥3 T）,对流极值点和零对流速率点处的过冷度又回到300 K范围内,且对流的变化规律与低磁场下相似,对流速率最大可在5 T下达到2000 m/s。分析认为,均匀磁场下熔体内存在抑制枝晶生长的横切对流和促进枝晶生长的环流,两种对流相互竞争可达到动态平衡;随着磁场强度的增加,枝晶尖端逐渐粗化,从而导致对流速率发生改变。与均匀磁场相比,梯度磁场下对流极值点和零对流速率点处的过冷度减小,对流增强,尤其在负梯度磁场下。此外,均匀磁场下的对流速率在B=5 T最大,可达到2000 m/s（抑制枝晶生长）;而在梯度磁场下,对流速率在2 T负梯度磁场下达到最大,但只有600 m/s（促进枝晶生长）。分析认为,梯度磁场下磁场强度的衰减以及磁化率之差导致熔体内部产生附加对流（正梯度磁场下为负对流,负梯度磁场下为正对流）,使得梯度磁场下熔体内的两种对流相对容易达到动态平衡。