镁合金作为目前工业应用中最轻的金属结构材料,具有比强度和比刚度高、储存丰富和易于回收再利用等诸多优点,在汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。但是,大多数镁合金为密排六方的晶体结构,室温塑性和加工成型性能较差,这在一定程度上限制了镁合金的应用。铸态AZ91镁合金是一种应用广泛的镁合金,由于晶粒粗大且第二相呈网状分布的组织特点,AZ91镁合金的强度较低和塑性较差。搅拌摩擦加工作为一种新型的剧塑性加工技术,具有操作简单灵活的特点,在细化晶粒、改善组织方面具有较大优势。多道次搅拌摩擦加工一方面能够通过应变的累积来进一步细化晶粒,另一方面还可以通过增加加工道次进一步使组织均匀化。本文考察多道次搅拌摩擦加工参数对AZ91镁合金材料组织和力学性能的影响,通过强制冷却进一步细化晶粒,制备超细晶镁合金材料,并深入考察该材料组织与力学性能之间的关系,尤其是超塑性变形行为。另外,本文还初步研究了不同搭接率下制备大面积加工板材的组织和力学性能之间的关系,探索采用多道次搅拌摩擦加工制备大面积板材的方法。首先,对比分析了一道次和两道次搅拌摩擦加工对合金的组织和力学性能影响。同时,系统分析了随着第二道次加工参数(旋转速度和前进速度)的变化,两道次搅拌摩擦加工合金的显微组织、显微硬度和拉伸性能的变化规律。相对于一道次搅拌摩擦加工,多道次搅拌摩擦加工后搅拌区的洋葱环形貌消失,并且呈现出不同的形貌,即盆状、椭圆状和长方形状。随着第二道次加工旋转速度的降低和前进速度的增加,搅拌区的?-Mg基体的平均晶粒尺寸逐渐减小。在第一道次旋转速度为800 rpm、加工速度为60 mm/min,第二道次旋转速度为400 rpm、加工速度为60 mm/min时,多道次搅拌摩擦加工可制备出本实验中组织最为细小的AZ91镁合金(3.6?m)。其次,对AZ91镁合金进行了三种不同类型的加工方法,即:两次空气、一次空气和一次水下、两次水下搅拌摩擦加工。研究了强制冷却对多道次搅拌摩擦加工合金的组织和力学性能的影响。两道次水下搅拌摩擦加工加工的?-Mg基体的晶粒最为细小为0.8~1?m,其显微硬度、抗拉强度和伸长率分别为94.7 HV、355.5 MPa和31.5%,具有比其他两种加工合金更为优异的综合力学性能。第三,对水下两道次搅拌摩擦加工制备的超细晶镁合金进行了高温拉伸,研究了其超塑性变形过程中的组织演变、变形机制和断裂机理。试样在温度为275-350℃,应变为3×10-3-3×10-2 s-1范围内均表现出优异的超塑性性能,并在温度为300℃,应变速率为3×10-3 s-1时获得2300%的伸长率。另外,该合金也表现出优异的高应变速率超塑性,并在温度为325℃,应变速率为1×10-2 s-1时获得高达1900%的伸长率。由组织观察和激活能计算可以得出该合金超塑性变形的主要机制为晶界滑移。在变形过程中,微孔的聚集和连接为超塑性变形的断裂机制。最后,对AZ91镁合金板分别进行了搭接率为-1、0、0.5和1的多道次搅拌摩擦加工并制备出表面完好、无明显宏观缺陷的大面积细晶板材。随着搭接率的增大,搅拌区重叠的区域越来越大,从完全不重叠变为完全重叠。在搭接率为0.5时,多道次加工合金区域的组织和显微硬度分布相对均匀、其抗拉强度和伸长率也比搭接率为0时要高,表现出较好的综合力学性能。