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近年来,随着我国航空航天领域、汽车领域以及轨道交通领域的高速发展以及能源的日益紧张,开发新型轻量化材料成为研究热点。金属间化合物Mg2Si具有高熔点、高硬度、高弹性模量、低密度等优点,但Mg2Si存在着严重的室温脆性。将其与Al基体复合得到的Al-Mg2Si复合材料,既能获得较高的强度和硬度,又能降低其脆性。利用原位内生工艺制备Al-Mg2Si复合材料,该方法工艺简单,价格低廉,但形成的初生Mg2Si相组织较为粗大,多为棒状、鱼骨状或尖角状,易使基体割裂,从而降低了复合材料的塑性和韧性。所以,在原位内生法制备Al-Mg2Si复合材料时,利用稀土作孕育剂加入到溶液中,能够有效改善组织尺寸、形貌和分布,从而达到提高强度和硬度的同时提高材料韧性。然而,受实验手段和检测方法的限制,稀土孕育剂的强韧化机理的研究尚存较多争议。利用理论计算和实验检测的方法,能够有效预测强化机制,对深入探究强韧化机理具有重要意义。第一性原理计算不依赖任何经验参数即可合理预测微观体系的状态和性质,准确地计算和预测稳定相、亚稳相甚至虚拟相的物理、化学性能,从而使材料研究者可以利用这些相的物理化学性能进行材料优化设计。所以,为了加速稀土元素对Al-Mg2Si复合材料的影响规律的研究,本文利用成熟的基于密度泛函理论的第一性原理探究了Al-Mg-Si-RE系合金中物相演变规律,尤其对其中的Al-Mg-Si合金中二元相、Al-RE系合金相和Mg2Si-RE的掺杂相的热力学和力学性能进行深入探究。首先,本文利用第一性原理计算研究了Al-Mg-Si合金中可能存在的二元相的晶格常数、形成焓、结合能、态密度、布据数、差分电荷密度等热力学性质,并计算了相应的弹性常数,推导了弹性模量,预测了物相的稳定性和力学性能。计算结果表明,Mg2Si相的合金化能力和稳定性均较强,在常温常压下更容易稳定存在。再利用SEM、EDS、XRD的定性和定量分析法,确定了Al-Mg2Si复合材料的物相变化规律,实验结果与利用第一性原理计算和预测的物相析出规律和物化性能一致。其次,利用SEM,EDS、TEM和和XRD等实验手段,检测了稀土元素RE（RE=La、Ce、Pr、Y和Sc）作孕育剂加入到Al-30wt.%Mg2Si复合材料中对组织成分、形貌、分布和尺寸的影响规律,分析其对复合材料力学性能的影响,结果表明,上述RE均能够有效改善组织,提高复合材料的强韧性。比较和拟合晶粒尺寸与抗拉强度和硬度之间的关系,分析了细晶强化机理,其中抗拉强度与晶粒尺寸之间能够极好的满足Hall-Petch关系,关系式为=σb98.22+819.30*d-1/2。此外,还计算了Mg2Si相的各个低指数晶面与稀土元素各晶面之间的晶格错配度,并结合实验结果,从异质形核作用和毒化作用角度分析了晶粒细化的机理,结果表明,稀土La、Ce、Pr和Y能够满足异质形核作用的条件,对抗拉强度提高的效率大小顺序为:Pr>Ce>La>Y>Sc;而对硬度提高效率由高到低的顺序是:Ce>Pr>La>Y>Sc。再次,利用第一性原理平面波赝势方法分析了稀土元素RE（RE=La、Ce、Pr、Y和Sc）掺杂在增强相Mg2Si中的三种占位情况:稀土元素RE置换晶胞中的Mg或Si原子形成浓度为4.167 at.%的置换固溶体Mg15Si8RE或Mg16Si7RE;或进入到间隙最大的位置——单胞体心位置形成浓度为4.000 at.%的间隙固溶体Mg16Si8RE。计算了该浓度固溶体的形成热、结合能、晶格畸变、力学稳定性和力学性能等,并与增强相Mg2Si的力学性能做了比较,分析了固溶强化机理,计算结果表明,稀土最容易占据Mg的位置形成Mg置换固溶体,随后会进入间隙位置形成间隙固溶体,而Si的位置最不易占据;稀土的固溶强化作用导致增强相强硬度增加,将势必导致Al-30wt.%Mg2Si强硬度增加,五种稀土元素的强化效率由高到低的顺序为La>Ce>Pr>Y>Sc,同时,镧系稀土能够有效提高材料的强韧性。比较了掺杂浓度对固溶体的热力学和力学稳定性的影响,分析了不同掺杂浓度的固溶体形成能力,结果表明,Mg置换固溶体的固溶度最大,间隙固溶体次之,Si置换固溶体的固溶度最小。最后,利用第一性原理法分析了Al-RE二元合金体系的24个金属间化合物的热力学稳定性和力学稳定性,预测了Al-RE二元合金体系中绝大多数的基态结构以及析出序列;计算了所有Al-RE二元系合金的弹性性能,预测了各个金属间化合物重要的力学性能指标,与增强相Mg2Si的力学性能做了比较,分析了第二相强化机理。计算结果表明稀土孕育剂（RE=La、Ce、Pr、Y或Sc）加入到Al-Mg2Si复合材料中能够形成且稳定存在的Al-RE相为Al11La3、Al11Ce3、Al3Pr、Al3Y和Al3Sc,这些第二相引起的强化作用均优于增强相Mg2Si,第二相强化作用的强弱顺序依次为:Al3Sc>Al3Y>Al11La3>Al11Ce3>Al3Pr。第二相Al3Sc和Al3Pr相能够提高材料的强度,同时在一定程度上提高塑性,而形成Al11La3、Al11Ce3和Al3Y二元相,将有助于提高复合材料的强度,但会使塑性降低。