高性能铝合金由于低密度、强度适中、高塑性、耐腐蚀等优异的综合性能广泛地应用在食品包装、化学加工等行业。然而,为了进一步扩大合金在航天航空、交通运输等领域的应用,合金需要具备更高的强度。而提高铝合金强度的一个有效途径是向合金中添加微量的Sc作为合金元素。本文采用铸锭冶金方法制备了不同Sc、Zr含量的Al-Mg-Sc-(Zr)合金。采用金相显微镜(OM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)和拉伸实验研究了Sc和Sc、Zr复合合金化对Al-Mg合金组织与性能的影响；调查了Al-Mg-Sc和Al-Mg-Sc-Zr铸态合金中初生粒子的外部形貌、内部结构与空间分布规律;探讨了Sc和Sc、Zr在Al-Mg合金中的存在形式与作用机理。结果表明：(1)在Al-5Mg合金添加微量的Sc可显著改善合金的微观组织。Sc添加量为0.2wt.%时,合金细化效果不明显；而当Sc添加量增加至0.4wt.%时,合金微观组织由粗大树枝晶转变为细小等轴晶,显著细化晶粒,其晶粒尺寸由259.1μm减至77.2μm；当Sc含量继续增至0.6wt.%,合金得到进一步细化,平均晶粒尺寸为50.3 μm。Al-5Mg合金中Sc添加量分别为0.2 wt.%、0.4 wt.%、0.6 wt.%时,合金的抗拉强度增幅为4%、30%和40%,屈服强度增幅为18%、78%和111%,而塑性减幅为12%、33%和44%。当Sc添加量为0.4wt.%时,合金的综合性能达到最佳,此时合金的抗拉强度、屈服强度和塑性分别为280.2 MPa、153.6 MPa和14.8%。(2)Sc在Al-5Mg合金中主要以两种形式存在：一是Sc添加量超过共晶点成分时(0.4wt.%),合金在凝固过程中析出初生的Al3Sc颗粒；由于与基体α-Al相具有相同的晶体结构(αAl=0.4050nm,αAl3Sc=0.4106nm)和一致的取向,位于晶粒内和晶界处的初生粒子能够有效地拟制有害扩散和作为α-Al基体的异质形核核心,起到细化晶粒的作用。但是,并不是所有的初生粒子都可以作为异质核心。二是Sc含量未达到共晶点成分时,Sc主要固溶在基体中形成过饱和固溶体,在后续的热加工处理中分解并析出大量的、弥散的次生Al3Sc沉淀相,这些与基体共格的Al3Sc粒子有效的钉扎位错,阻碍亚晶界的迁移与合并,对合金产生强烈的亚结构强化和弥散强化效果。(3)Al-Mg-Sc合金中析出的初生粒子在熔体中的氧化物上形核并且呈现"cellular-dendritic"模式生长,即优先在<111)方向生长形成树枝晶的主干,然后在<110)和(100)方向生长出二次枝晶和三次枝晶,最后由于元素的扩散与偏聚而形成"Al3Sc+α-Al+Al3Sc+…"多层结构特征。(4)基于EBSD分析结果引入了一种特殊的计算方法。通过这种方法计算出交截面分别为(100)、(110)、(111)的三个不同形貌颗粒在观察面上的三个惯习面分别为(3,2,1),(2,3,0),(1,1,4)、(0,1,0),(6,0,1),(1,1,6)和(4,0,1),(0,4,1),(1,1,4)。通过变换得出相对应的坐标轴分别为(3,2,1),(2,3,0),(1,1,4)、(2,0,3),(0,1,0),(3,0,2)和(3,1,4),(3,1,2),(0,3,1)。结果表明初生粒子呈现随机分布,而不是简单的{100}、{110}或{111>面。(5) 0.2wt.% Sc和0.1 wt.% Zr复合修饰Al-5Mg合金时产生显著的晶粒细化效果。合金中析出的初生粒子由于与基体α-Al相同的晶体结构和一致的晶体取向,有效地作为基体的异质核心,起到细化晶粒的作用。并且,Al-Mg-Sc-Zr合金中析出的初生颗粒为Al3(Sc,Zr)相和α-Al相组成的共晶体,内部组织呈现"Al3(Sc,Zr)+α-Al+Al3(Sc,Zr)"多层结构和"cellular-dendritic"树枝晶亚结构特征。Sc、Zr复合修饰Al-5Mg的时效强化比Sc单独修饰时的效果强。