镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,它具有密度小、高比强度、高比刚度、优良的导热性和导电性、良好的尺寸稳定性、电磁屏蔽性和易于回收等特性。但镁合金的强度总的来说均低于铝合金,此外,高温性能差也是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一。所以提高镁合金的室温和高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题。在镁合金中添加稀土元素能明显提高镁合金的室温和高温强度。本文以镁稀土合金为研究对象,运用分析型嵌入原子模型,从原子尺度研究了镁稀土合金的一些热学和力学等基本性能及固溶特性。另外,也从电子尺度模拟了镁稀土合金的脆性和弹性特性。利用第一性原理VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）,系统研究了10种B2-MgRE（RE=Sc, Y, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er）合金的电子结构、弹性常数及脆性,并与韧性化合物YCu进行了比较。从几个方面都证明了B2-MgRE合金呈脆性。对于B2-MgRE合金,态密度在费米能级附近出现峰值,成键态是全占据的,反键态的填充对于局部结构的变形较敏感,而这又会引起费米能级的改变。然而,韧性稀土金属间化合物YCu的态密度在费米能级附近有局域最小值,成键态仅仅是部分占据,原子间的成键对局部结构的改变不敏感。这表明,在这种B2-MgRE材料中,它们成键表现强烈的方向性,导致这种B2-MgRE合金呈一定的脆性。同时还发现,所有B2-MgRE合金的剪切模量G{100}>> G{110},表明这些稀土镁合金的{110}[1 10]方向剪切比{100} [010]方向更容易,趋向于各向异性,而YCu合金的剪切模量G_{100}≈G_{110},表明YCu金属间化合物{110}面沿[1 10]方向与{100}沿[010]方向剪切变形程度相等,呈各向同性。对于稀土金属间化合物YCu有正的柯西关系,原子间成键为金属性,其韧性较好,这与实验现象相符合;而对于稀土镁金属间化合物有负的柯西关系,其成键的方向性较强,键的流动性很低。B2-MgRE金属间化合物的B/G值都小于1.75,呈脆性,且MgSc的脆性最强,MgHo的脆性最弱,而YCu化合物的B/G值大于1.75,呈韧性,这与实验观察相符合。采用分子动力学方法计算了轻稀土Mg-Pr、Mg-Nd、Mg-Ce合金系中一系列金属间化合物的晶格常数和结合能随温度的变化关系,计算结果与实验值相符合。计算的这些轻稀土MgRE, Mg₂RE, Mg₃RE, Mg₄₁RE₅, Mg₁₂RE（RE=Pr, Nd, Ce）化合物的形成能与实验值符合得较好,丰富了Mg-RE系的热力学数据库,且从热力学角度正确预测了Mg41Nd5是富镁区的最稳相,Mg₁₂Nd是亚稳相。MgRE, Mg₂RE, Mg₃RE, Mg₄₁RE₅, Mg₁₂RE（RE=Pr, Nd, Ce）化合物的弹性常数随温度的升高而减小,出现热软化现象。弹性常数主要的贡献者为玻恩项,振动项为负,且随着温度的升高而增加。利用逐渐加温法和固液共存法预测了MgPr, Mg₃Pr, MgNd, Mg₃Nd金属间化合物的熔点。偏双体径向分布函数表明,在Mg-RE （RE=Pr, Nd, Ce）系中,较强的相互作用出现在异类原子对间。振动态密度表明,随温度的升高逐渐向低频方向偏移。其偏振动态密度表明,低频部分主要来自稀土原子的贡献,高频部分主要来自Mg原子的贡献。且总的来说振动态密度的贡献主要来自稀土原子,原因在于稀土原子比镁的原子质量大。在谐和近似下,低温比热符合T3定律,高温比热趋于常数。振动自由能随温度的升高而降低,而振动熵随温度的升高而增加,原因在于温度的升高,无序态增加。这都符合经典的热力学规律。计算了二元重稀土Mg-Dy（Ho,Y）合金系中的金属间化合物的热力学性质和弹性常数随温度的变化情况。二元重稀土镁合金的弹性常数随温度的升高而降低,呈热软化现象。偏双体分布函数也表明,较强的相互作用发生在异类原子对间,这与轻稀土镁合金相似。通过比较所研究的二元轻、重稀土镁合金的体模量,发现重稀土镁合金的体模量大于轻稀土镁合金的体模量,这从理论上解释了在实际应用中常用重稀土金属来改善镁合金的力学性能的原因。系统研究了MgGd, Mg₂Gd和Mg₃Gd的晶格常数、结合能、形成能、弹性常数、比热、振动自由能和振动熵,计算结果与实验值相符合。另外,二元Mg-Gd合金系的体模量与纯金属Mg和Gd的体模量随温度的变化关系表明,在Mg-Gd系中的有序相可能是其增强相,但可能也存在其他增强机制,如沉积和固溶硬化等,这与Mg-Pr系有所不同。偏振动态密度反映了,低频部分主要来自稀土原子的贡献,而高频部分主要来自Mg原子的贡献,且总的来说又主要来自稀土原子的贡献。研究了在镁中固溶不同稀土元素时的固溶特性,模拟结果表明,基体镁中固溶稀土元素的晶格常数大于纯金属镁的晶格常数,且镁合金的晶格常数随稀土成分的增加而增加。在某一特定含量的稀土下,镁合金的晶格常数之比与温度无关,这就抑制镁合金中的非基滑移和孪生的产生,从而达到增强镁合金强度的目的。从固溶稀土元素时镁合金体模量的数值变化也可发现,在基体镁中固溶稀土元素时镁合金的体模量远大于纯金属镁的体模量,且镁合金的体模量随稀土成份的增加而升高,说明稀土加入可使镁合金的强度增强,从而达到改善镁合金力学性能的目的。并且在Mg-Gd, Mg-Dy和Mg-Y三个二元系中,Mg-Gd合金的固溶强度最佳,Mg-Y最差。利用分子动力学方法结合分析型嵌入原子模型,研究了三元Mg-Al-RE （RE=Dy, Y, Gd）合金的固溶特性。从热力学的角度可发现,在基体镁中同时固溶稀土元素和Al时,稀土元素会优先与Al形成合金。合金化元素Gd, Dy, Y和Al引起基体镁的晶格常数变化。同样,合金化元素也引起镁合金的弹性模量的变化。合金化元素Gd和Al会同时增强基体镁的强度,但当Al含量高于Gd的含量时,合金的强度随Al的含量的增加而减弱。原因在于一定的Al与Gd形成合金后,多余的Al会与Mg形成Mg₁₇Al₁₂金属间化合物,而这种金属间化合物的含量越多对镁合金的强度破坏作用越大。