众所周知,钢材由于其良好综合性能以及低廉的价格,已经成为应用最广的金属材料之一。虽然目前生产成品钢的技术以及连铸技术已经非常成熟,但是钢铁材料在其生产过程中还在经受着裂纹、偏析等缺陷的影响。在目前的研究中虽然已经能通过X射线原位观察技术观测到较小尺寸样品凝固过程枝晶生长和固态相变,但连铸凝固是高温钢液连续凝固的过程,其操作空间较小,不透明,所以连铸坯凝固过程中枝晶生长演变的原位观察还没能实现。包晶钢作为一种性能优良的钢材,生活中的各个方面都会看到它的身影。包晶钢的特点是凝固过程中会发生包晶反应,而包晶反应又必然会伴随着坯壳体积的收缩,这极易使连铸坯与坯壳之间产生缝隙,从而产生裂纹以及其他的一些缺陷。虽然很多学者对包晶反应进行了研究,但是到目前为止,关于包晶反应的机理还存在着很大的争议。由于近年来计算机技术的兴起,数值模拟的方法越来越受到重视。相场（PF）法、元胞自动机（CA）法等模拟方法的兴起使得人们对连铸坯凝固过程中枝晶生长以及包晶相变过程的描述更加接近于现实。通过比较,本文采用相场法,将相场、溶质场以及温度场耦合,建立了多元合金枝晶生长的相场模型和包晶反应的多相场模型,分别模拟了包晶钢的二元合金在等温和非等温条件下的枝晶生长、三元合金凝固过程中的枝晶生长以及凝固过程中的包晶相变的现象,并讨论了不同的工艺参数对其生长反应过程的影响。其主要研究内容与结果如下:（1）在模拟包晶钢Fe-C二元合金凝固的过程中,用LGK解析模型验证了所建立相场模型的准确性。分析模拟结果可知当过冷度在15-25 K的范围内增加时,枝晶尖端的生长速度从3.59× 10-3 m/s增加到了 5.34× 10-3 m/s,溶质会更多的富集在枝晶主干的周围。在等温和非等温的二元合金凝固过程中,当扰动强度在0到0.03的范围内增加时,枝晶主干的生长速度没有发生变化,但是二次枝晶的数量却有明显的增加。而各向异性强度从0增加到0.05时,枝晶的生长速度有明显的加快,但是二次枝晶的数量却没有增加。（2）在Fe-C-P三元合金凝固过程枝晶生长的模拟过程中,用LGK分析模型验证了本模型的准确性。分析模拟结果可知,当过冷度从20 K增加到30 K时,枝晶的生长速度有了明显的增加,溶质也会更加多的富集在枝晶附近。而随着碳溶质和磷溶质初始含量的减少,枝晶生长明显加快,枝晶附近聚集的溶质浓度也会增加,但是这种增加是很少的,其产生的影响低于初始溶质的增加所带来的影响。（3）对包晶钢样进行原位观察实验,观察了在温度降低过程中的包晶生长,测得L/γ/δ三相点的生长速度为1.36 mm/s,L/γ界面和γ/δ界面推进速度分别为12.4 μm/s和52.2 μm/s。（4）通过一维模拟的验证,所建立的多相场模型可以很好地模拟枝晶生长过程中的包晶反应过程,并模拟了枝晶的包晶反应过程和L/γ/δ三相点的生长过程。通过计算,L/γ/δ三相点的生长速度为1.09 mm/s,L/γ界面和γ/δ界面推进速度分别为11.1 μm/s和44.4 μm/s,此结果与实验结果相符。当过冷度和过冷速率增大时,对包晶反应都有促进作用。发现包晶相变和包晶反应是同时发生的,并由碳扩散控制。