镁合金具有高的比强度、低密度以及优异的减震性能等优点,在航天航空领域具有广泛的应用前景。但镁合金的强度低、塑性差仍是阻碍其工业化应用的主要原因。本文通过Ce的微合金化设计以及工艺参数优化制备出性能优异的Mg-Al和Mg-Ca系合金,包括高强度的Mg-Al-Ce、Mg-Ca-Ce以及Mg-Ca-Ce-Mn合金等。基于微观组织分析与力学性能测试,得到以下主要结果:为提高Mg-Al系合金的力学性能,首先在低温（～220℃）下挤压制备了超细晶Mg-3.0Al（wt.%）二元合金,屈服强度（YS）～285 MPa,抗拉强度（UTS）～328 MPa,延伸率（EL）～11%;细小的动态再结晶晶粒以及高密度的位错是挤压态Mg-3Al合金优异力学性能的主要原因。然而,Mg-3Al二元合金表现出低的热稳定性,经250℃退火2h后,合金的YS显著降低至～158 MPa,UTS降低至～233 MPa,EL提升至～33%;退火处理后,合金发生了明显的回复,在晶粒尺寸变化不大的情况下位错的密度大幅降低,导致了其强度水平的下降。与此相对,通过添加少量的Ce元素获得的Mg-0.1Al-0.2Ce（wt.%）三元合金,经高温（～300℃）挤压变形后仍表现出超高强（YS～370 MPa,UTS～372 MPa,EL～5.2%）,即微观组织的高温热稳定性更优。三维原子探针的实验结果表明,Mg-0.1Al-0.2Ce合金在挤压过程中发生了元素沿着位错线的动态偏聚现象,主要为富Al-Ce元素的团簇（clusters）。这些团簇可提高位错在高温下的回复速率,从而保证了位错的密度在挤压的早期阶段不断增殖,利于动态再结晶晶粒的高密度形核;此外,Al-Ce元素还会在晶界处偏聚,因此极大提升了晶界迁移的阻力,利于挤压态合金中细小再结晶晶粒的形成。超细晶粒、高密度的位错以及伴生的元素偏聚是该Mg合金获得高强度的主要原因。第一性原理的模拟结果也证实了 Al-Ce元素沿位错线的共偏聚具有最低的偏聚能。最后,Ce元素同样可大幅度改善Mg-Ca系合金的力学性能。譬如,Mg-1.0Ca（wt.%）二元合金,经300℃挤压后的平均晶粒尺寸～1.2μm,合金的YS～310 MPa。与此相对,通过Ce的微合金化获得的Mg-0.2Ce-0.3Ca三元合金经300℃挤压变形后的平均晶粒尺寸可细化至～100 nm,较Mg-Ca二元合金细化显著,因此合金的YS和UTS分别提升至了～372 MPa和～377 MPa。基于Ce、Mn多元微合金化策略制备的Mg-0.3Ca-0.2Ce-0.5Mn（wt.%）四元合金,经300℃挤压后的平均晶粒尺寸可进一步细化至60～100 nm,因此合金的YS进一步提升至～403 MPa,UTS为411MPa。Ca-Ce元素的共偏聚以及纳米Mn颗粒的弥散分布可能是该体系镁合金中超细晶粒形成以及强度提升的主要原因。