铸造Mg-Al系合金是一类具有良好应用前景的轻质金属材料。该系合金可以通过时效处理获得一定程度的强化,其强化效果与时效析出过程的晶体学、热力学和动力学密切相关。结合相场模拟技术和实验表征技术来研究Mg-Al系合金的时效析出过程对于进一步改善其时效强化效果、提高其性能和扩大其应用具有重要的学术意义和应用背景。本论文针对Mg-Al系合金的时效析出过程,利用扫描电镜研究了不同时效工艺条件下试样中析出相的形貌特征、类型和分布。利用透射电镜研究了占绝大多数的连续析出相的晶体学特征、形貌并对其尺寸分布进行定量统计获得其生长动力学特征。利用原子力显微镜对该类析出相的三维轮廓形貌进行表征并作定量分析。建立了模拟Mg-Al系合金时效过程连续析出相β-Mg17Al12演化的相场模型。相场模型中化学自由能通过耦合热力学计算获得,考虑了界面能异性和弹性应变能的影响。界面能异性通过构造界面能和相场动力学系数的异性函数引入,弹性应变能采用微观弹性力学理论进行计算。并利用实验获得的生长动力学结果对近似计算得到的相场动力学系数进行校正。利用两套网格的特殊数值技术消除了模拟多变体时网格异性的干扰。通过界面处理耦合并行计算技术,扩大了多个多变体析出的三维模拟的计算规模,模拟尺度达到微米级别。利用建立的相场模型对Mg-Al系合金时效析出过程在二维和三维模拟条件下开展了单个和多个连续β-Mg17Al12析出相演化的模拟,模拟结果与实验表征结果基本一致。通过模拟研究了界面能异性和弹性应变能对析出相形貌特征和生长动力学的影响。从界面能和弹性应变能的各自贡献、不同阶段各自发挥的作用以及模拟区域的应力场方面解释了析出相形貌特征的形成机理,并在此基础上通过调控这些影响因素讨论了析出相增厚的条件。通过计算析出相周围弹性交互作用能的分布,讨论了弹性交互作用对于后续形核的影响,利用模拟结果探讨了实验中观察到的析出相尖端出现小颗粒现象的机理。利用扩大计算规模的计算技术,开展了微米尺度的多个多变体析出的三维模拟,模拟结果很好地反映了析出相的多变体形貌和分布特征。