近年来,梯度纳米结构材料由于其独特的微观结构和优异的性能而备受关注。表面机械研磨处理(SMAT),作为最有效的表面纳米化从而获得梯度纳米结构的技术,已被成功的应用到了铜、镍、不锈钢等金属材料中,并取得了显著的力学性能改善效果。然而,国内外鲜有梯度纳米结构镁合金力学性能相关的报道。因此,本工作对运用等通道挤压(ECAP)技术以及常见商业轧制工艺制备的两种状态的AZ31镁合金进行了表面机械研磨处理。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)及显微硬度、单轴拉伸等测试设备系统研究了表面机械研磨处理后两种状态AZ31镁合金的微观结构和力学性能特征,分析讨论了表面机械研磨对两种状态AZ31镁合金显微组织和力学性能带来的影响,并比较了不同基底梯度纳米结构镁合金的力学性能差异。最后,采用SEM原位拉伸实验,研究了梯度结构AZ31镁合金拉伸变形过程中,不同晶粒度组织的动态变形和断裂行为,并分析讨论了其差异。主要研究结论如下:1.ECAP制备的AZ31镁合金经过SMAT处理后,在沿板材试样厚度方向形成了梯度纳米结构:SMAT处理10 min后,表面为取向随机平均晶粒度为27.4 nm左右的纳米晶(~100 nm)层,其厚度约为50μm;至距SMAT处理表面80~90μm深为晶粒度在亚微米级(100 nm~1μm)的超细晶层;距SMAT处理表面90μm以下的组织,虽无明显晶粒细化,却引入了一定体积分数的孪晶。长时间SMAT处理后,芯部组织孪晶界体积分数可达30%。力学性能方面,SMAT处理可以提升ECAP制备的AZ31镁合金硬度,并在合金沿板厚方向呈梯度分布。同时,SMAT处理可以提升合金强度,但会在一定程度上牺牲合金的塑性。SMAT处理3 min后,合金的抗拉强度可提升121.8%。然而,随着SMAT处理时间的进一步增长,强度提升效果明显减弱。此外,值得注意的是,SMAT处理后,合金展现出了不同于原始ECAP态镁合金的应变硬化行为。应变硬化III阶段:SMAT处理后合金的应变硬化率比原始ECAP态高,且随着SMAT时间的增长,应变硬化率也随之提高;而应变硬化IV阶段,SMAT处理后,合金的应变硬化率更低,且随着SMAT处理时间的增长,合金的应变硬化率随之降低。2.商业轧制AZ31镁合金在经过SMAT处理后,同样在沿板材试样厚度方向形成了梯度纳米结构表面层,且这一表面层厚度随SMAT处理时间增长而增厚。SMAT处理10 min表面为取向随机平均晶粒度为41 nm左右的纳米晶层;至距SMAT处理表面约165μm厚度,为晶粒度在亚微米级的超细晶区;距SMAT处理表面165μm以下为芯部粗晶组织。力学性能方面,SMAT处理可以提升商业轧制AZ31镁合金硬度,并同样在合金沿板厚方向呈梯度分布。同时,SMAT处理可以提升合金强度,但一样会在一定程度上牺牲合金的塑性。继续增长SMAT处理时间,合金的强度提升幅度明显减小。此外,长时间SMAT处理后,商业轧制AZ31镁合金的塑性各向异性明显增大。这与SMAT处理后,梯度纳米结构组织独特的变形行为密切相关。3.对ECAP和商业轧制两种状态AZ31镁合金(初始表面的平均晶粒度分别为5.5μm和2.8μm)SMAT处理后的显微组织和力学性能进行比较,发现经过SMAT处理3 min后,两种状态镁合金沿板材试样厚度方向均形成了厚度接近的梯度纳米结构表面层,且表面纳米层晶粒取向随机。而SMAT处理后,由于其良好的应变硬化行为,ECAP态AZ31镁合金合金保留有可观的塑性。由此,SMAT处理后ECAP态AZ31镁合金获得了更好的强度-塑性配比。4.通过单梯度结构AZ31镁合金SEM原位拉伸实验,研究了单梯度结构中粗晶和细晶组织在拉伸过程中拉伸变形行为的不同。对单梯度结构粗细晶组织的拉伸初始、弹性变形、塑性变形以及断裂后四个不同阶段下的原位SEM动态观察可以发现,镁合金组织在拉伸过程中会出现晶间裂纹萌生、晶粒变形,晶间裂纹拓展、平行滑移线出现、穿晶裂纹萌生拓展等几种变化。这些变化均会受到晶粒度的影响。通过单梯度结构镁合金拉伸变形行为的动态观察及断口分析,我们给出了梯度结构在表面梯度纳米化镁合金拉伸变形过程中的作用机理。