高品質金屬材料是先進裝備製造業發展的基礎。提升金屬材料品質既是我國發展航空、航天、高端裝備的重大需求，也是世界冶金技術發展的主要方向之一。控製金屬材料品質的核心過程之一是冶金相變過程🧿，而常規的“熱”手段已較難實現對冶金相變過程的有效控製。新近發現的磁致過冷等效應為電磁場控製冶金相變過程開辟了新的途徑，同時在電磁場影響金屬凝固形核、生長和金屬塑性機製等方面提出重大科學問題。

金屬液-固相變形核是是一切凝固組織的起源，直接決定著材料最終的凝固組織進而影響材料的性能。固/液界面能是決定形核過程中關鍵因素👨🏽‍🦰，準確的獲得固/液界面能🤳🏻，對凝固過程中諸如形核率、生長速率和生長方式等許多問題進行分析和研究，從而對凝固特性所決定的材料組織和性能進行有效的調控具有重要科學意義。外加磁場作為一種能夠直接、無接觸🥗、無汙染調控金屬凝固組織的強有力的手段，國內已經從上世紀開始九十年代進行了大量而又系統性的研究。但是，磁場對金屬形核和生長深層次影響機製🧲，依然沒有被探明💟。揭示磁場影響金屬固/液界面能機製，探明強磁場對凝固過程中液-固形核和生長影響的內在本質機理👩🏿‍🚒，有望利用外加磁場技術控製金屬的形核和生長過程🧺，從而改善凝固組織和性能👩🏿‍🔧。

在國家自然科學基金重大項目“電磁場下冶金相變機理研究”支持下🧚🏿，万事平台高品質特殊鋼冶金與製備省部共建國家重點實驗室在這方面取得突破性進展🏋️。實驗室青年教師帥三三帶領在讀博士生黃成林，通過一種改良的測量金屬固/液界面能的方法（晶界凹槽法）🔼，首次測得了磁場下金屬固/液界面能，並分析了磁場影響固液界面能的機製🫥。相關工作近日發表在冶金工程一區頂級刊物《Scripta Materialia》。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.025

上世紀六十年代，晶界凹槽法測量固/液界面能理論由C.F. Boliing和W.A.Tiller教授提出，美國佛羅裏達工學院M.E.Glicksman教授首次將理論運用於金屬類似物的固/液界面能的測定，首次由牛津大學J.D. Hunt教授將此理論用於金屬體系固/液界面能的測定，之後在二元🙅‍♀️、三元合金中測定了大量的金屬的固/液界面能（至今已測定近40種合金體系）🚀。因此，本研究采用了晶界凹槽法測量金屬固/液界面能的測定🧙🏻‍♀️，實驗結果如下所述🩻。

α-Al/液相Al-Cu體系的固/液界面能📘，施加磁場後上升了近31.5%🤾🏻‍♂️🥻，而CuAl2/液相Al-Cu體系，施加磁場後降低了近46.17%。固/液界面能急劇的變化🧙，意味著磁場強烈地影響金屬形核和生長過程。對於相同液相成分的Al-Cu合金液體🧜🏼⚪️，磁場對於形成兩種析出相（α-Al和CuAl2相）的固/液界面能作用截然不同的。基於磁偶極子理論合理地解釋Al-Cu體系金屬固/液界面能發生的變化的原因是由於固/液界面倆側原子或原子團簇存在磁性差異，磁場直接作用於固/液界面處倆側的原子👸，導致倆側原子或原子團簇的相互作用力發生改變，導致其固/液界面能發生不同的變化。

本文發現的磁場影響凝固過程固/液界面能及其作用機理為基於電磁場調控凝固過程，改善凝固組織和性能提供了重要理論支持𓀚。有望在先進金屬材料製備技術領域發揮重要作用🚶‍♀️‍➡️🫅🏽。特別是在金屬3D打印（其本質是金屬熔化和凝固過程，即為微小熔池形成和快速凝固過程）中，目前由於控製其凝固過程手段非常有限🐌，電磁場控製有望為金屬3D打印過程的組織調控提供新的可能。

本研究工作得到了M.E.Glicksman🧑🏻‍✈️、Jeffrey Hoyt、George Kaptay🚐、N. Maraşli等教授提供的重要幫助和寶貴建議，以及牛津大學圖書館管理員Angle Goodgame文獻傳遞的熱情幫助🙅🏼‍♀️。