在金属熔体的凝固过程中,形核方式通常都是异质形核。研究异质核心的形核效用,分析其异质形核机理,有助于获得更为细小的凝固组织,从而消除缺陷和提高力学性能。在异质形核领域,深入研究异质形核机理不仅对深化形核理论有重要的理论价值,也对开发凝固细晶新技术有重要的实际意义。本文以纯Al为研究对象,研究其在不同取向的MgO、MgAl₂O₄及Al₂O₃异质基底上的形核能力和其异质形核机理。首先基于Bramfitt二维晶格匹配,Edge to edge matching等模型,理论计算了对应错配度和晶格电子迁移率,并预测了界面可能发生的位向关系,然后采用改进差示扫描量热法测得其在不同异质基底上形核过冷度,评判其形核能力,系统分析了Al在异质基底上形核凝固时的界面反应及界面结构、形核相的择优生长方向,最后通过综合分析理论计算、过冷度和界面分析结果,提出了分别针对强异质形核体系Al/MgAl₂O₄、Al/MgO和弱异质形核体系Al/Al₂O₃的微观异质形核模型。主要内容如下:（1）根据点阵错配理论和电子密度差理论,计算了形核相Al与SiO₂、ZrO₂、MgO、Al₂O₃、MgAl₂O₄五种基底不同晶面间的理论错配度以及晶格电子密度差。错配度计算表明,MgO、MgAl₂O₄为Al的强异质形核剂,Al₂O₃、SiO₂和ZrO₂中除了Al₂O₃（11-20）面外,其余的错配度均在6%-20%之间,属于一般或弱异质形核剂。电子密度差计算表明,Al在Al₂O₃及SiO₂基底上的异质形核的能力强于其余基底,说明电子迁移率及错配度理论评估形核能力不一致。（2）采用差示量热手段测得形核相Al在不同晶面上形核过冷度,发现Al在MgO与MgAl₂O₄基底上的过冷度明显小于在Al₂O₃基底上的过冷度。Al在MgAl₂O₄（100）基底上的过冷度小于MgAl₂O₄（110）和（111）两个取向上的过冷度。Al在MgO（100）、（110）和（111）的过冷度几乎一致,但都稍高于Al在MgAl₂O₄基底上的过冷度。Al在Al₂O₃（11-20）、（0001）和（1-102）上的过冷度依次增大。过冷度测量结果与错配度理论计算基本符合,表明本文研究与错配度理论相符。（3）界面分析发现Al在MgO异质基底上生成10nm左右厚度中间层MgAl₂O₄而替代MgO外露晶面成为新的异质形核基底,且反应产物MgAl₂O₄与基底MgO及形核相Al有着很好的取向性:MgO_（100）//MgAl₂O_4（100）//Al_（100）、MgO_（110）//MgAl₂O_4（110）//Al_（110）及MgO_（111）//MgAl₂O_4（111）//Al_（111）;同时,与在MgAl₂O₄体系上对应取向关系一致;而在Al₂O₃中并未有很好位向关系。其晶面取向关系符合E2EM（Edge to Edge Matching）模型预测。（4）针对不同异质结构（HCP,FCC）对Al形核过程的研究,表明在临近异质基底界面处均生成了类基底结构转变层,使得界面相互匹配,其形成的转变层结构内的有序性与异质基底结构等有一定关系,且其厚度与异质基底结构有关,揭示了转变层在不同结构基底上有序性差异:在MgAl₂O₄基底呈层内有序,主要通过晶格畸变释放应变;而与Al₂O₃晶面呈层间有序关系,主要通过位错释放应变能。（5）提出针对Al在强异质形核基底MgAl₂O₄上的扩散-有序生长形核模型,由于晶格常数相近和较小的结构错配条件下,形核相与异质相界面具有相对较低的表面自由能,液态形核相Al在基底MgAl₂O₄界面上形成层内有序（In-plane ordring）和层间有序（Layering）随着氧元素的扩散进入界面处的Al熔体,由于Al-O的吸附能相较于Al-Al和Al-Mg要大,进而促进了界面有序化。随着Al熔体温度的降低,在初始凝固过程中有序层和液态Al的界面处会因为错配能的释放而形成位错,且位错沿着凹凸不平的界面分布。同时,在有序层内则通过晶格畸变来释放错配能。之后,随着过冷度的进一步增大,在有序层上长大的晶胚逐渐长大超过临界形核半径触发形核。（6）提出针对Al在弱异质形核基底Al₂O₃上的局部有序生长形核模型。Al原子受界面基底诱导,使得靠近界面处的类Al₂O₃结构向形核相Al-FCC结构过渡,液态Al在密排六方（HCP）结构基底上由于原子间作用势不满足六次对称,因而在临界基底界面形成层间有序,层内无序的有序层。随着Al熔体温度的降低,在初始凝固过程中有序层和液态Al的界面处会因为错配能的释放而形成位错,但是由于FCC的Al与HCP的Al₂O₃错配度较大,需要形成大量的缺陷即位错释放错配能,最终导致在界面处只有零星的有序层被保留下来。随着过冷度的进一步增大,形成的晶胚逐渐长大超过临界形核半径触发形核。