高品质金属材料是先进装备制造业发展的基础。提升金属材料品质既是我国发展航空、航天、高端装备的重大需求，也是世界冶金技术发展的主要方向之一。控制金属材料品质的核心过程之一是冶金相变过程，而常规的“热”手段已较难实现对冶金相变过程的有效控制。新近发现的磁致过冷等效应为电磁场控制冶金相变过程开辟了新的途径，同时在电磁场影响金属凝固形核、生长和金属塑性机制等方面提出重大科学问题。

金属液-固相变形核是一切凝固组织的起源，直接决定着材料最终的凝固组织进而影响材料的性能。固/液界面能是决定形核过程中关键因素，准确的获得固/液界面能，对凝固过程中诸如形核率、生长速率和生长方式等许多问题进行分析和研究，从而对凝固特性所决定的材料组织和性能进行有效的调控具有重要科学意义。外加磁场作为一种能够直接、无接触、无污染调控金属凝固组织的强有力的手段，国内已经从上世纪开始九十年代进行了大量而又系统性的研究。但是，磁场对金属形核和生长深层次影响机制，依然没有被探明。揭示磁场影响金属固/液界面能机制，探明强磁场对凝固过程中液-固形核和生长影响的内在本质机理，有望利用外加磁场技术控制金属的形核和生长过程，从而改善凝固组织和性能。

在国家自然科学基金重大项目“电磁场下冶金相变机理研究”支持下，上海大学高品质特殊钢冶金与制备省部共建国家重点实验室在这方面取得突破性进展。实验室青年教师帅三三带领在读博士生黄成林，通过一种改良的测量金属固/液界面能的方法（晶界凹槽法），首次测得了磁场下金属固/液界面能，并分析了磁场影响固液界面能的机制。相关工作近日发表在冶金工程一区顶级刊物《Scripta Materialia》。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.025

上世纪六十年代，晶界凹槽法测量固/液界面能理论由C.F. Boliing和W.A.Tiller教授提出，美国佛罗里达工学院M.E.Glicksman教授首次将理论运用于金属类似物的固/液界面能的测定，首次由牛津大学J.D. Hunt教授将此理论用于金属体系固/液界面能的测定，之后在二元、三元合金中测定了大量的金属的固/液界面能（至今已测定近40种合金体系）。因此，本研究采用了晶界凹槽法测量金属固/液界面能的测定，实验结果如下所述。

α-Al/液相Al-Cu体系的固/液界面能，施加磁场后上升了近31.5%，而CuAl2/液相Al-Cu体系，施加磁场后降低了近46.17%。固/液界面能急剧的变化，意味着磁场强烈地影响金属形核和生长过程。对于相同液相成分的Al-Cu合金液体，磁场对于形成两种析出相（α-Al和CuAl2相）的固/液界面能作用截然不同的。基于磁偶极子理论合理地解释Al-Cu体系金属固/液界面能发生的变化的原因是由于固/液界面俩侧原子或原子团簇存在磁性差异，磁场直接作用于固/液界面处俩侧的原子，导致俩侧原子或原子团簇的相互作用力发生改变，导致其固/液界面能发生不同的变化。

本文发现的磁场影响凝固过程固/液界面能及其作用机理为基于电磁场调控凝固过程，改善凝固组织和性能提供了重要理论支持。有望在先进金属材料制备技术领域发挥重要作用。特别是在金属3D打印（其本质是金属熔化和凝固过程，即为微小熔池形成和快速凝固过程）中，目前由于控制其凝固过程手段非常有限，电磁场控制有望为金属3D打印过程的组织调控提供新的可能。

本研究工作得到了M.E.Glicksman、Jeffrey Hoyt、George Kaptay、N. Maraşli等教授提供的重要帮助和宝贵建议，以及牛津大学图书馆管理员Angle Goodgame文献传递的热情帮助。