镁合金作为最轻的结构材料,已应用到3C行业、交通运输业及航空航天业中。与铝合金等材料相比,镁合金的应用还是非常有限的,这主要是由两大原因造成的:镁合金力学性能差;镁合金易氧化腐蚀。研究表明:添加稀土元素不仅能够增强镁合金的力学性质,还可以改善镁合金的阻燃性质。然而,目前大部分关于稀土镁合金的工作仅限于实验研究,稀土元素在镁合金中的作用机理还不是很清楚。第一性原理已成为计算固体及表面性质的有效工具。论文主要分为两大部分:第一部分详细计算了几种典型立方结构镁合金的结构、电子和力学性质;第二部分计算了氧原子在Mg3Nd(001)面吸附的能量、吸附结构及电子态密度。论文主要包括以下内容:(1)采用第一性原理方法计算了Mg3Gd,Mg3Gd0.5Y0.5及Mg3Zn3Y2的结构、电子和力学性质。结果表明:添加Y元素能起到细化镁合金晶粒的作用(0.35%);结合能、形成能和电子态密度的计算结果表明,Mg3Zn3Y2合金具有较强的结构稳定性,且归因于费米能级以下较多的价电子数目。计算得到的合金的弹性常数(C11, C12和C44)及弹性模量(剪切模量G,杨氏模量Y,泊松比ν和各向异性因子A),在此基础之上进一步讨论了材料的力学性质。(2)采用第一性原理方法计算了Mg17Al12和Mg24Y5的结构、电子和力学性质。计算得到的晶格常数与实验值非常吻合。合金的结合能和形成能的计算结果表明:与Mg17Al12,合金相比,Mg24Y5合金具有较强的结构稳定性和合金化能力。首先计算得到了合金的弹性常数(C11, C12及C44),然后计算得到合金的弹性模量(G, Y,ν及A),最后对材料的韧性及延展性等力学性质进行了讨论。(3)采用密度泛函理论计算了最稳定的Mg3Nd(001)吸附面以及氧吸附后的结构和电子性质。结果表明,最稳定的吸附点为(2Nd+Mg)空位,且随着覆盖率的增大,吸附能大致呈下降趋势。在低覆盖率(0.125ML,0.25ML)情况下,Mg原子背离O原子的方向弛豫,而Nd原子向着O原子方向弛豫而最终成为O原子最近临原子。当覆盖率增大至1ML时,从结果分析可知O原子陷入金属表面。通过分析电子态密度可知:在低覆盖率下吸附体系的总态密度主要来源于O原子的2p轨道和Nd原子的5d轨道的杂交;在高覆盖率的情况下(0.5ML和1ML),Mg原子的3s轨道和O原子的2p轨道开始杂交起来,我们推测这也可能是0.5ML下的吸附能比0.25ML的略高出0.014eV/atom的原因。通过以上的分析可以预测:在氧化的过程中,大量Nd原子向表面聚集而首先被氧化,进而形成富Nd氧化膜,从而展现良好的阻燃效果。