镁作为最轻的金属结构材料,有望应用在交通运输、航空航天等领域,从而降低燃油消耗、减少碳排放,促进社会和环境的可持续发展。然而由于镁室温塑性差、强度和弹性模量低等不足限制了其在工程领域的大规模应用。合金化作为一种传统手段被广泛运用在镁合金设计中以期改善镁的力学性能。为了更高效经济地设计新型镁合金,需要弄清合金元素对镁变形力学行为,包括弹性变形和塑性变形的影响规律和机制。目前,对于镁弹性变形行为的理论研究主要集中在合金元素对多晶镁的弹性模量的影响,缺乏对单晶镁三维弹性模量影响的相关数据。同时,对镁塑性变形行为的影响主要通过研究层错能变化来间接反映合金元素对位错滑移行为的影响,虽然层错与位错之间存在一定关系,但是二者是晶体中两种不同的缺陷,位错的形核、运动、交滑移等机制不能完全用层错能来解释。本论文从原子尺度计算合金元素对与位错密切相关的物理参数的影响,以此总结出合金元素对镁变形行为的影响规律,为筛选合适的合金元素设计新型实用镁合金提供理论依据。论文主要分为两大部分:首先,采用第一性原理计算了二元镁合金的单晶三维弹性模量和多晶体弹性模量,以评估合金元素对镁弹性变形行为的影响。其次,由于塑性和强度与位错的滑移行为密切相关,而位错性质取决于位错芯结构,因此采用第一性原理和分子动力学模拟溶质原子对基面位错、柱面位错和锥面<c+a>位错芯结构的影响;同时基于经典Peierls-Nabarro模型,计算了柱面位错和锥面<c+a>位错的Peierls应力;在此基础上分析探讨溶质原子在位错形核和运动中的作用,弄清合金化影响位错滑移机制的内在机理。主要结论如下:（1）计算了含量分别为2.78at.%和6.25at.%的18种合金元素（Ag、Al、Zn、Cd、In、Li、Pb、Sn、Tl、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu）对镁弹性模量的影响。发现稀土（RE）元素会显著增大镁沿[0001]方向的杨氏模量E值,从而明显改变Mg-RE体系的杨氏模量的三维分布图形状,加剧Mg的弹性各向异性,并且所有RE元素都会增大基面各方向上的剪切模量G（0001）的值,说明稀土元素能显著增强基面原子层间的结合力。含量为2.78at.%时,只有Sc元素会显著增大多晶镁的G和E,分别增加了2.15和4.59GPa;其余元素对弹性模量的影响都较小。当含量为6.25at.%时,Li、Al、Ag、Sc、Y、Tb、Dy、Ho、Er和Lu会明显增大G和E。这一规律为选择合金元素来设计高弹性模量的镁合金提供理论依据。（2）模拟了置换溶质原子Sn、Al、Ca和RE（Y、Sc、Gd、Er、Nd）位于基面螺型位错芯区或附近时位错芯结构的变化。发现尺寸错配大于零且数值较大的RE和Ca原子会减小基面位错的分解宽度,有利于螺型位错从基面交滑移到柱面,提高镁的塑性;而尺寸错配较小或为负值的Sn和Al几乎不影响基面位错芯结构。这些溶质原子与基面位错之间相互吸引从而强化基面位错,其中Ca和RE原子的作用更强。此外还发现RE原子会使螺型位错形成非平面位错芯结构,这种结构会强化基面滑移。（3）模拟了基面螺型位错芯在间隙氧原子的短程作用下结构和能量的变化,发现间隙氧原子与基面螺位错芯之间相互排斥。这种排斥作用会增大基面位错滑动时的晶格抵抗力,从而强化镁。氧原子会降低柱面螺型位错芯的能量,使其在柱面上更稳定,这有利于柱面位错的滑移。（4）计算了23种合金元素（Ag、Al、Bi、Ca、Ga、In、Li、Mn、Pb、Sn、Zn、Zr、Sc、Y、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Lu、Yb）分别掺杂下柱面位错Peierls应力的变化,发现除Mn以外的合金元素都可降低柱面位错的Peierls应力,即减小了晶格摩擦力利于形核。采用基面和柱面非稳定层错能的比值(γusf（B）/γusf（P）)来评估位错在基面和柱面的形核竞争,发现Ag、Ca、Li、Mn、Zn、Zr和所有RE元素会使γusf（B）/γusf（P）的值高于纯Mg,表明这些元素会增大位错在柱面形核的可能性。选择代表性元素Y、Ce、Ca、Al、Sn模拟了溶质原子与柱面位错的交互作用,发现Y、Ce、Ca与柱面位错是相互吸引的,表明Y、Ce和Ca会强化柱面滑移;Al和Sn会使柱面螺型位错交滑移到基面并分解,这表明Al、Sn有利基面滑移,而不利于柱面滑移。根据以上结果分析得出促进柱面滑移的关键是增大位错在柱面形核的几率,稳定柱面位错芯结构。（5）计算了典型合金元素（Al、Zn、Ca、Sn、Zr、Y、Ce、Gd）分别掺杂下二级锥面<c+a>位错Peierls应力的变化,发现Sn、Ca、Ce、Gd、Y会减小Peierls应力,有利<c+a>位错形核;而Al、Zn、Zr会增大Peierls应力,使其形核更加困难。分子动力学模拟压缩和剪切单晶纯Mg和Mg-3at.%Y合金发现:1)可动的锥面扩展型<c+a>位错在未遇到强阻碍时,不会分解成不可动的状态（如+）;2)观察到I1层错端头可以释放出可动<c+a>位错;3)<c+a>位错在与I1、I2、<c+a>位错交互作用时仍可能释放出可动的<c+a>位错;4)Y元素的加入会明显降低<c+a>位错形核时的应力水平;5)随机分布的溶质原子Y对<c+a>位错芯结构及分解行为影响甚微,但会对预引入的刃型<c+a>位错施加一个拖拽力,从而阻碍其运动。根据以上结果分析得出促进<c+a>滑移的关键是降低形核所需的应力水平。