Ti-Al合金由于其轻质高强、抗蠕变以及优异的高温力学性能,在航空航天和汽车动力领域得到了广泛的应用。Ti-Al合金的宏观力学行为取决于其微观结构,而不同微观结构的形成受到其凝固过程的调控。因此,深入研究Ti-Al合金凝固结构调控和力学行为,对制备优异力学性能的金属材料具有重要的科学意义。本文采用分子动力学方法,模拟研究了均匀凝固过程冷却速率对Ti3Al合金凝固过程微观结构的调控机理,以及定向凝固过程温度梯度对凝固结构的调控机理;并对不同凝固结构的力学行为和变形机理进行了深入分析。主要得到结论如下:（1）建立了高效准确识别和提取凝固结构中晶粒结构的方法,即密度聚类法（DBSCAN）。该方法相比于当前常用的PTM更能识别和提取复杂晶体结构的晶粒,并且运行效率更高。（2）Ti3Al合金均匀凝固过程中,冷速对微观结构的影响只有在液-固转变点下才显现出来,而且随着冷却速率的降低,凝固结构的晶粒尺寸增大,HCP结构（α2-Ti3Al相）的比例增加。拉伸结果表明,随着冷速的降低,凝固结构的强度和塑性得到了同时提高;并根据变形过程微观结构的变化,阐明了其强韧化机制。（3）在Ti3Al合金均匀凝固过程体系包含了数万种不同类型的原子团簇结构,但只有少数几种团簇结构类型对结晶形核过程起关键性作用。Ti3Al合金临界晶核是由FCC原子构成的单相结构,平行孪生结构的形成是由FCC单相晶核在沿密排面逐层生长过程形成。（4）构建了Ti3Al合金定向凝固模型,研究发现定向凝固过程凝固结构由等轴晶粒逐渐转变为柱状晶粒,平均晶粒尺寸沿定向凝固方向近似于线性分布。凝固过程存在晶粒竞争生长,平行于定向凝固方向晶粒会更容易长大。对模型在垂直于定向凝固方向单轴拉伸还发现,所生成梯度结构的强度与塑性均高于均匀凝固的结构,梯度结构中强韧性的协同提高,是由于晶粒梯度结构抑制了剪切局域化的发生。