镁合金是最轻的工程结构材料，具有密度小，比强度和比刚度高，导热性好，电磁屏蔽效应好等一系列独特优点，广泛应用于汽车、电子、3C等相关行业。然而，随着镁合金应用领域的快速扩展，普通镁合金的性能已难以满足日益苛刻的使用环境。镁合金还存在着显著的缺点，其中有限的力学性能已经成为众多问题中最显著的一个，如高温力学性能差、室温塑性低等。合金化是改善镁合金力学性能的有效途径，因此研究合金元素对Mg基合金性能的影响具有重要的现实意义。本文采用第一性原理方法研究了镁基二元固溶体Mg-R（R=Al, Zn, Ca, Li, Y, Sc）的电子结构、弹性和热性能；MgxAl4-xSr和Mg17-xAlxSr2的结构、电子、弹性及热性能；Mg-Al-R（R=Ca、Sr、Y、Bi）系二元析出相的结构、电子、弹性性能以及压力对Al2Ca、Al4Sr、MgRe（Re=Y, Sc）电子、弹性及热性能的影响等。研究对镁合金设计和优化起了一定的理论指导作用，并且提供了在实验中无法获得的一些性能参数。得到如下结论：计算了镁基二元固溶体Mg-R（R=Al, Zn, Ca, Li, Y, Sc）的电子结构、弹性和热性能。结合能计算结果表明：Mg-Sc合金具有最高的结构稳定性。通过态密度（DOS）和电荷差分密度的计算，分析Mg固溶体的成键本质，计算结果表明：Mg-Y (Sc)合金由于Y(Sc) d和Mg p之间强的杂化现象具有较强的共价键。通过Voigt-Reuss-Hill (VRH)方法计算了体模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比ν，结果表明：当固溶度为2.77at.%时，所有合金均为可延性，且Mg-Zn(Li)合金的延展性和塑性较好，Mg-Sc的硬度最大。基于弹性常数，根据平均弹性波速估算了德拜温度，结果显示：Mg-Sc的力学稳定性最好。计算了MgxAl4-xSr相的结构、电子、弹性及热性能。形成热和结合能的计算结果表明：在Al4Sr晶胞中两个不同的晶格位置Al(4d)和Al(4e)之间，Mg更倾向于取代Al4Sr晶格中Al(4d)的位置；且随着镁含量的增加削弱了合金的合金化能力和结构稳定性。通过态密度的计算，分析了合金结构稳定性的潜在机制，结果表明：Al4Sr具有最高的结构稳定性归因于体系在费米能级以下区域成键电子存在较强的共价键作用。通过弹性常数估算了合金的体模量、剪切模量、杨氏模量和弹性各向异性，分析和讨论了各相的力学性能，结果表明：随Mg含量，即x的增加，MgxAl4-xSr的硬度增大，而塑性逐渐变差；Al4Sr、MgAl(4d)Al7Sr2和Mg2Al(4d)Al6Sr2相均呈可延性；Mg2Al(4d)Al6Sr2(x=1)的各向异性程度更大。热力学性质计算结果表明：固溶体在热力学上比纯Al4Sr相更稳定，且在298～573K，固溶体的热稳定性随着镁含量的增加逐渐减小。德拜温度计算结果表明：Mg2Al(4d)Al6Sr2力学稳定性最好。计算了Mg17-xAlxSr2相的结构、电子、弹性及热性能。形成热和结合能的计算结果表明：随着Al含量的增加削弱了合金的合金化能力，Al在Mg17Sr2中的固溶量有限；在Mg(12k)和Mg(12j)晶格位置之间，Al原子更倾向于替换Mg(12k)位置；且随着固溶量的增大，Mg17-xAlxSr2的结构稳定性越好。态密度的计算结果表明：合金结构稳定性好的原因主要源于费米能级以下更多的成键电子。弹性性能的计算结果表明：随着Al含量的增加，Mg17-xAlxSr2的硬度增大，而塑性降低；Mg17Sr2呈延性，其它三元固溶体均为脆性相。德拜温度的计算结果表明：Mg22Al12Mg(12k)Sr4的力学稳定性最好。计算了Mg17Al12、Al2Ca和Al4Sr相的结构稳定性、电子结构和弹性性能。优化的结构参数与可获得的实验值和其它理论值相一致。形成热和结合能的计算结果表明：Al2Ca具有最强的合金化能力，Al4Sr具有最高的结构稳定性。态密度、布居电子数和电荷差分密度的计算结果表明：Al4Sr具有较高结构稳定性主要源于体系在费米能级以下成键电子存在较强的共价键作用。弹性性能计算结果表明：Mg17Al12和Al2Ca相都是脆性相，Al4Sr相具有延展性；且Al2Ca相硬度最高，Al4Sr相塑性最好。计算和讨论了Gibbs自由能，结果表明：在298～573K，Al2Ca和Al4Sr相比Mg17Al12相更稳定，即在Mg-Al系合金中加入Ca或Sr可提高合金的耐热性。计算了Mg17Al12、Al2Y以及Mg3Bi2相的结构稳定性、电子结构和弹性性能。形成热和结合能的计算结果表明：Al2Y具有最强的合金化形成能力和结构稳定性。态密度的计算结果表明：Mg-Al系合金中相结构稳定性提高的主要原因是Y和Bi合金化后，体系费米能级以下低能级区成键电子数的增多。热力学的计算结果表明：在298~573K温度范围内，Al2Y相的结构热稳定性最好；温度低于550K时，Mg3Bi2相的结构热稳定性好于Mg17Al12相，即Y和Bi合金化Mg-Al系合金由于形成Al2Y和Mg3Bi2利于提高镁合金的高温抗蠕变性能。采用弹性常数计算结果预测的Al2Y熔点最高，其结构热稳定性最好。弹性性能的计算结果表明：Mg17Al12和Al2Y均为脆性相，Mg3Bi2呈可延性；且3种金属间化合物中，Al2Y的硬度最高，Mg3Bi2的塑性最好。计算了压力下Al2Ca和Al4Sr的电子、弹性及热性能。弹性性能的计算结果表明：0~50GPa下，随压力增大，Al2Ca和Al4Sr相弹性常数Cij、体模量B、剪切模量G、杨氏模量E均增大，材料的硬度增大；增大压力可改善Al2Ca相塑性和延性，但对于Al4Sr相，当P为10GPa左右时，塑性和延性出现低点，继续增加压力，塑性延性得到改善；与Al4Sr相比，Al2Ca相始终具有更高的硬度，但塑性和延性较差。态密度和Mulliken电子占据数的计算发现，随着压力的增加，Al2Ca和Al4Sr相的结构稳定性先变差后增强，但在此压力范围内，Al2Ca和Al4Sr相结构仍然是稳定的，没有发生相的转变；且Al4Sr相结构稳定性始终好于Al2Ca；随压力的增大，离子键作用均减弱。热学性能的计算结果表明：随着压力的增大，Al2Ca和Al4Sr相热稳定性降低。两相的德拜温度均随着压力的增大而增大，且Al2Ca相的德拜温度始终大于Al4Sr相。计算了压力下MgRe（Re=Y、Sc）的结构、电子及弹性性能。弹性性能的计算结果表明：0~50GPa下，增加压力可以提高MgRe相的硬度、延性和塑性等，但过大的外部压力会对其力学性能产生一定的负面影响；压力小于40GPa时，MgY相塑性优于MgSc相，而硬度低于MgSc相。由态密度与Mulliken电子占据数的计算结果分析，随压力的增大，MgY和MgSc的结构稳定性均增加，且MgY的稳定性始终好于MgSc相；结构稳定的原因主要源于体系存在强烈的共价键和离子键作用。但通过Gibbs自由能计算结果显示，随压力的增大，MgY和MgSc的热稳定性降低。德拜温度的计算结果表明：MgY和MgSc相的德拜温度随压力的增大而增大，压力大于40GPa时，MgSc德拜温度略有降低；且压力小于45GPa时，MgSc相的德拜温度大于MgY相，主要是因为其具有大的杨氏模量和剪切模量。