近年来,随着科学技术的飞速发展,轻量化合金的应用得到了广泛关注,其中铝和铝合金的应用极为引人瞩目。Al-Mg₂Si复合材料是一种典型的铝基复合材料,其具有良好的比强度、硬度、热膨胀系数以及良好的耐磨、耐蚀性。此外,复合材料的密度较轻,抗咬合性好,是制造发动机活塞的理想材料。利用原位内生工艺制备Al-Mg₂Si复合材料的工艺方法简单,价格低廉,具有良好的稳定性。但初生Mg₂Si颗粒由于晶粒尺寸粗大、组织形貌不理想以及成分分布不均使材料的整体力学性能受到较大影响。稀土微合金化是改性初生Mg₂Si的一种重要手段,对改善Al-Mg₂Si复合材料的力学性能有着重要的意义。基于密度泛函理论的第一性原理计算能从原子和电子尺度预测材料的各种物理化学性质,如表面能、界面能。通过对材料进行形成焓、结合能、弹性常数、态密度、能带结构等计算,能够分析材料的结构稳定性和力学性能,很好的预测熔炼实验中可能存在的金属相和其性能。此外,第一性原理计算也被广泛应用于研究基体和晶核之间的界面性质,尤其是便于研究各种因素对晶粒细化效果的影响机制。本文通过实验和第一性原理计算相结合的方法研究了稀土Y对Al-20wt.%Mg₂Si复合材料的影响。采用原位内生工艺制备添加不同含量Y的Al-20wt.%Mg₂Si复合材料,研究Y的添加量对复合材料的微观组织形貌、晶粒尺寸和力学性能的影响。实验发现,稀土元素可以细化初生Mg₂Si颗粒,形貌由鱼骨尖角状变得光滑圆整,分布较为均匀。当Y的添加量为0.8wt.%时,初生Mg₂Si的细化效果最佳,复合材料的抗拉强度、伸长率和硬度达到最好。通过第一性原理的方法计算了Al-Y二元相的形成焓、结合能和弹性常数等。结果表明,Al₃Y为脆性化合物,因此,当Y的含量超过0.8wt.%后复合材料的力学性能会降低。计算了Mg₂Si及其掺杂固溶体的形成焓、结合能、弹性常数和电子结构等。结果表明,Y原子优先取代Mg₂Si晶胞中的Mg原子,掺杂后可以提高Mg₂Si的塑韧性和稳定性。此外,构建了Y（0001）/Mg₂Si（111）的二维点阵错配度和界面模型,研究Y对Mg₂Si的异质形核机制。结果表明,Y掺杂降低了Mg₂Si（111）面的表面能,Y（0001）/Mg₂Si（111）-MgII界面处形成的Y、Mg和Si三角化学键提高了界面处的稳定性,Y可作为Mg₂Si的异质形核核心。