作为目前最轻的金属结构材料,镁合金被广泛应用在航空航天、汽车工业、3C等领域。然而,镁合金的高温性能较差,这严重阻碍了镁合金的进一步发展。Mg₂Si相由于具有熔点高,硬度高,膨胀系数低,与镁基体的密度相近等特点,能作为增强相提高镁合金的热稳定性和高温力学性能。但是,常规铸造下镁合金中的Mg₂Si相分布不均、形状不规则,降低了合金材料的力学性能。因此必须改善镁合金中Mg₂Si相的组织形态,目前,常见的方法是添加变质剂对Mg₂Si进行变质处理。本文通过添加不同稀土元素对Mg-1Si合金中共晶Mg₂Si进行变质,从实验的角度研究不同稀土元素对共晶Mg₂Si相形貌的影响及作用机制。同时采用第一性原理计算的方法,计算了稀土原子掺杂和吸附到Mg₂Si（100）表面和（111）表面对表面性质的影响。通过实验和理论计算相结合的办法,探讨稀土元素对Mg₂Si相形貌的影响机制。通过向Mg-1Si合金中添加0.3wt.%La、Ce、Nd或Sm对合金中共晶Mg₂Si进行变质处理,研究发现,稀土La、Ce、Nd或Sm均能细化Mg-1Si合金中共晶Mg₂Si相,其中La的变质效果最好,绝大部分的粗大长条状Mg₂Si转变为细小的点状,然后变质效果依次是Nd、Ce和Sm,它们中粗大的长条状Mg₂Si除了变成细小的点状,还有一部分变成纤维状。SEM分析表明,合金在凝固的过程中,稀土原子会富集在Mg₂Si生长的固液界面前沿,以吸附或者固溶的方式影响Mg₂Si晶体的生长,从而改变Mg₂Si晶体的形貌。采用了第一性原理计算方法,计算了稀土La、Ce、Nd和Sm掺杂在Mg₂Si（100）和（111）表面的表面能,通过表面能的大小来判断稀土原子掺杂到Mg₂Si表面对Mg₂Si最终形貌的影响。相对于洁净的表面,掺杂后的Mg₂Si（100）和（111）表面的表面能都变小,而且,稀土原子对Mg₂Si（100）和（111）表面的表面能变化的影响程度都不一样,导致晶体生长的各向异性程度发生变化,从而影响晶体的最终形貌。此外,掺杂Nd的变质效果最好,然后依次为Sm、Ce和La。采用了第一性原理计算方法,研究了Mg₂Si（100）表面和（111）表面吸附稀土原子La、Ce、Nd和Sm的吸附位置、结构变化和电子结构。在Mg₂Si（100）表面中,稀土原子La、Ce、Nd和Sm都是优先吸附到空位,且在空位处的吸附能是La2Si（111）表面中,稀土原子La、Ce、Nd和Sm都是优先吸附到H₂位置上,且在H₂位置的吸附能也是La2Si（100）表面和（111）表面吸附稀土原子La、Ce、Nd和Sm后,都发生重构,但（100）表面结构变化更大,且Mg₂Si（100）表面吸附稀土原子后层间距变化量依次是La>Ce>Nd>Sm,而Mg₂Si（111）表面层间距变化量依次是Nd>Ce>La>Sm。进一步分析电荷密度和差分电荷密度图,可以了解到,Mg₂Si（100）表面吸附稀土原子La、Ce、Nd和Sm后,稀土原子与表层Si原子主要以离子键的方式键合;而Mg₂Si（111）表面吸附稀土原子La、Ce、Nd和Sm后,稀土原子与表层Si原子主要以离子键和共价键共存的方式键合。通过实验和理论计算的分析,稀土元素对共晶Mg₂Si生长影响的作用机理可能是一部分稀土原子替换掉Mg₂Si中的Mg原子,引起表面能的改变,造成晶体生长的各向异性程度发生变化,从而改变Mg₂Si晶体形貌;另外一部分稀土原子吸附在Mg₂Si生长表面上,改变表面结构,从而抑制了Mg原子和Si原子在晶面上接下来的堆垛,最后改变了Mg₂Si晶体形貌。这两方面的共同作用,决定了稀土元素的变质效果。