材料的凝固工艺对其微观组织及使用性能有着重要影响。在快速凝固条件下,凝固过程完全偏离平衡凝固条件,经典凝固理论里面很多平衡条件下的假设都不再适用,且基于快速凝固所制备的磁性材料,如非晶软磁材料和纳米晶永磁材料等,其综合磁性能、强度、塑性、耐磨性等相对传统铸造工艺制备的材料有所提高,广泛应用于人们日常生活和工业生产。因此,研究磁性材料快速凝固过程微观组织演变对进一步优化材料性能具有举足轻重的作用。在快速凝固过程中,如何提高合金的玻璃形成能力（Glass Forming Ability,GFA）,提出定量、通用的GFA判据,以预测新的非晶材料体系并在更小的临界冷却速度（R_c）下制备出更大尺寸的大块金属玻璃（Bulk Metallic Glasses,BMGs）软磁材料应用于工业生产,解决目前现有GFA判据纷繁复杂且不具有普适性的问题,一直是非晶材料研究领域的重要难题。理论上,R_c应该是合金GFA最直接、通用的表征参数,但对于快速凝固过程难于通过实验直接准确地测量。如何快速、准确地获得合金的R_c,并研究影响合金GFA的深层次物理机制,如非晶本质、玻璃转变及晶相与非晶相竞争等,成为该领域的关键。此外,基于铜模快速凝固法制备大块非晶并辅以适当晶化法为制备三维大块、各向异性纳米基复合材料提供了新的途径,但样品的GFA、凝固组织的均匀性均远远达不到理想要求,严重影响材料的最终磁性能,限制了其进一步应用。如何提高铜模快速凝固过程中样品的GFA和优化样品的显微组织,成为提升纳米基复合永磁材料综合磁性能的关键。并且,由于金属材料在铜模快速凝固过程中,存在不透明、研究尺度小和温度高等多重因素的限制,因此,仅仅通过实验来研究和控制快速凝固过程中的众多参数对凝固微观组织的影响和观测演变界面瞬时形貌困难较大。随着计算材料学的发展,计算模拟辅助实验成为材料研究领域新的方向。其中,相场法由于其具有统一的方程且无需跟踪界面,已成为研究材料微观组织演化过程及其内在机理和规律的有力工具之一。但是,目前相场模拟主要针对平衡凝固过程组织演变研究,而通过相场法来提出定量、通用的GFA判据,并研究不同外加工艺参数下,连续快速凝固过程中晶相与非晶相的竞争过程、微观组织的演变等问题的文章尚在少数。据此,本论文主要包括两大部分,一是通过相场模拟提出两种不同的方法得到R_c作为Fe-B非晶软磁合金GFA最直接的表征参数,并研究其深层次物理机制;二是研究铜模快速凝固过程中温度梯度分布及外加工艺参数对Nd-Fe-B永磁合金的凝固微观组织演变的影响。首先,基于等温WBM（Wheeler-Boettinger-McFadden）相场模拟得到Fe-B二元软磁合金体系的TTT（Time-Temperature-Transformation）曲线图,并计算其R_c作为GFA最直接的表征参数。随后,研究界面迁移率中不同激活能E和形核率中不同热激活能Q取值下,界面迁移率和形核率对Fe₇₅B₂₅二元合金的R_c及GFA的影响。在目前模拟精度下,界面迁移率中热激活能E对TTT曲线图鼻尖温度和时间影响较小。在形核率中热激活能Q作用下,鼻尖温度有所上升,说明Q控制着鼻尖的温度,但过高的Q值将得不到完整的C形。在三个不同激活能下,TTT曲线鼻尖处的温度和时间分别为500 K、600 K、775 K和6.2×10^-4 s、4.5×10^-4 s、9.45×10^-4 s,计算的R_c分别为1.56×10⁶ K/s、1.93×10⁶K/s和7.345×10⁵ K/s,均处于实验值6.4×10⁵ K/s⁶.8×10⁶ K/s的范围内,验证了相场法在合适的热物性参数选取下对非晶合金GFA预测方面的可行性。其次,采用多元-多序参量相场CF-MPF（Continuum-field-multi-phase-field）模型模拟了不同冷却速度下,Fe_1-xB_x（x=9、11、15、17、20和25）二元合金快速凝固过程中玻璃转变、晶相与非晶相的竞争过程。研究发现,在玻璃转变温度T_g以上,体系仍保持液相,只有当温度接近并降到T_g以下时,非晶团簇才会不断形成,形成速度很快,但生长速度很慢,类似于爆炸形核。在不同冷却速度下,对Fe₉₁B₉、Fe₈₉B₁₁、Fe₈₅B₁₅、Fe₈₃B₁₇、Fe₈₀B₂₀和Fe₇₅B₂₅合金的快速凝固过程进行了模拟,模拟得到的R_c分别为4.3×10⁶ K/s、4.0×10⁶ K/s、3.25×10⁶ K/s、2.0×10⁶ K/s、3.4×10⁶ K/s和3.5×10⁶ K/s。Fe₈₃B₁₇具有最小的R_c,说明该成分在上述合金中GFA最佳,这与实验结果相吻合。表明相场法可以有效地研究快速凝固过程中非晶的结构弛豫、晶核的临界形核和生长过程。再次,采用相场法模拟了铜模快速凝固过程中,高温熔体注入过冷铜模瞬间温度的演变,验证了铜模快速导热下温度梯度的存在,并研究了温度梯度对单相合金枝晶形貌、溶质场分布及枝晶尖端生长速度的影响。在温度梯度分布下,枝晶的生长速度及生长形态均产生变化,形貌呈现各向异性,形成类似圆锥状的枝晶,而不是传统的四轴对称。随着温度梯度的增大,枝晶生长速度不断增大,且溶质截留现象越来越明显。结果表明,相场模拟可以给铜模快速凝固过程中温度演变及温度分布对枝晶形貌的影响提供动态可观测的研究。最后,采用相场法模拟了铜模快速凝固过程中Nd-Fe-B多元多相永磁合金的凝固竞争过程,发现靠近铜模的区域,在极大的过冷度下,有非晶相的出现,部分夹杂着T₁相和T₂相组织;紧邻非晶区域,T₁相和T₂相组织呈现均匀、细小的近球形状;越往凝固中心区域,晶核尺寸也相对较为粗大,且分布极不均匀。整体组织和溶质呈现明显的不均匀分布和区域性。铜模外表面冷却速度不一样,直接影响凝固组织中非晶相、细小均匀晶粒及粗大晶粒的比例。冷却速度越大,非晶区和细晶区厚度明显增大,整体上组织的尺寸变小、均匀度提高,溶质的偏析现象减小。外加磁场对晶粒细化有一定作用,但细化效果并不明显。结果表明,相场法可以直接、动态地研究铜模快速凝固过程中外加工艺条件与微观组织的定量关系。