在高性能镁合金中，Mg-Gd系合金具有突出的时效析出强化效果和优异的室温、高温力学性能；且Mg-Gd系合金的析出相和析出行为在含有重稀土的稀土镁合金中具有一定的代表性，对Mg-Gd系合金的时效析出相变研究具有重要意义。本文以Mg-Gd二元合金为研究对象，采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段，通过硬度、室温拉伸研究了不同Gd含量、热处理工艺、热挤压变形以及时效析出对Mg-Gd二元合金显微组织、力学性能和断裂行为的影响，重点研究了时效过程中析出相的形貌、晶体结构和演变过程。通过第一性原理计算，从热力学角度研究了几种析出相的晶体结构、晶格畸变、相稳定性及其相变序列。最后，在实验研究与理论计算的基础上，分析讨论了时效早期合金中的析出情况，建立了GP区以及β″相形核的原子模型。Mg-1.81Gd合金在225℃等温时效早期有类似GP区先于β″相存在，β″相与β′相的转化关系并不明显、缺乏证据。第一性原理计算表明，β″相的晶体结构比β′相存在着更大的晶格畸变，β″相、β′相和β1相均能自发形核并能稳定存在，β″→β′，和β′→β1这两个相变反应的化学反应热也为负值，为放热反应。时效早期的Mg-Gd二元合金中存在着两种形态的GP区，以及一种含有三个Gd原子的简单基本构型。它是靠合金中的溶质原子-空位对机制以及溶质原子空位扩散机制形成的。这种构型是两种GP区以及β″相形核的基础，具体形核过程可以通过原子模型进行描述。