混合加入轻重稀土而形成的时效析出相是迄今发现的高强度镁合金中最有效的强化手段。而二元镁轻稀土和镁重稀土合金的时效硬化效果却差异显著,研究清楚二元镁轻稀土、二元镁重稀土和三元镁轻重稀土合金的时效析出模型和相变机理,对于设计复杂成分的镁稀土合金及其热处理工艺具有重要意义。本文选用了原子序数和半径均非常接近的轻、重稀土元素Sm和Gd,在本课题组关于Mg-Gd二元镁重稀土合金研究的基础上,以Mg-Sm二元镁轻稀土合金和Mg-Sm-Gd三元镁轻重稀土合金为研究对象,采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)等观察分析手段,通过硬度、室温拉伸等性能测试方法,研究了不同Sm和Gd含量、热处理工艺、热挤压变形以及时效析出对合金显微组织、力学性能和断裂行为的影响,重点研究了Mg-Sm和Mg-Sm-Gd合金时效过程中析出相的演变过程,分析了析出相的形貌、晶体结构及其与基体的位向关系。通过HAADF-STEM分析了β″相和β′相的原子排布和相界面。通过第一性原理计算,研究了Mg-Sm合金中的β″、β′和β1等析出亚稳相的形成能,从热力学角度分析了这几种析出相的晶体结构、晶格畸变、热力学稳定性及其相变方向。在Mg-Sm二元合金中首次发现了与Mg-Gd系合金中的β′(cbco)相具有相同晶体结构的析出相,证实了β′(cbco)相在镁稀土合金时效序列中的普遍存在性。该相与β″(D019)相之间具有共格界面,二者存在一定的转化关系。根据对析出相的观察和分析,构建了Mg-Sm中的β″(D019)、β′(cbco)以及β1(fcc)相的晶体结构模型。第一性原理计算表明,Mg-Sm二元合金的β″相、β′相和β1相的形成能均为负值,表明这三种析出相均能稳定存在;β″→β′和β′→β1这两个相变反应的化学反应热也为负值,说明这是一个热力学可行的反应过程。