铝合金由于其密度小、比强度高等优异性能,广泛应用于航空航天和交通运输等领域。时效过程中析出的细小弥散分布的颗粒可以阻碍位错滑移,强化铝合金。因此,理解析出相的相变机理对设计高强铝合金至关重要。我们知道宏观系统的相变可以通过朗道平均场理论描述,如果研究的体系只有纳米量级甚至到达原子尺度,则采用纳米热力学或小系统热力学来进行研究。然而,当体系为原子尺度量级的颗粒,并且被基体所包围,比如铝合金中常见的析出相,现有的经典理论在这样的体系中就失去了统计意义,需要有新的方法来进行研究。密度泛函理论和第一性原理计算方法的发展为解决这类问题奠定了基础。本文采用第一性原理计算方法从以下两个方面研究原子尺度下的位移相变机理。首先,通过归纳总结Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si系列合金中GPB区和β’’相的共同的相变规律,发现相变过程中一个显著的特点是铝原子从面心立方的格点跳跃到八面体中心位置。我们提出了一种新型位移相变模型,成功地解释了Al-Mg-Si和Al-Cu-Mg系列合金中早期析出相的演化,并从原子的尺度揭示了位移相变的微观机理。计算模拟发现,纯铝中每个原子的跃迁能垒高达2.4 e V,但即使在500 K的时效温度下,原子的热激活能也仅有0.043 e V,无法越过能垒产生位移相变。而某些溶质原子的加入,如Cu、Mg、Si等,可以有效地降低位移相变的能垒,两种溶质原子共同作用甚至可以使能垒消失,并且导致原子的势能曲面发生变化,非简谐效应导致了位移相变的发生。然后我们应用该模型预测可能出现位移相变的铝合金系列。我们通过半径、功函数、原子之间的相互作用势初步筛选出对位移相变有利的溶质原子组合,进一步对这些溶质原子构成的合金采用CI-NEB方法预测了可能发生位移相变的三元铝合金。本文的位移相变机理和数据库丰富了原子尺度的相变理论,有助于设计具有早期时效强化的新型铝合金。