在全球资源可持续发展和汽车轻量化设计等推动下，镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性能良好和易回收等优点备受追捧。然而，由于密排六方结构镁合金有限的独立滑移系，较差的塑性变形能力以及较低的断裂强度极大的限制了镁合金的广泛应用。解决镁合金增强增韧问题是目前镁合金研究面临最大挑战。根据霍尔-佩奇定律，晶粒细化可以有效提高金属材料断裂强度，剧烈塑性变形(severe plastic deformation，SPD)方法制备超细晶或纳米晶镁合金成为有效方案。尽管近些年在利用SPD方法提高镁合金强度方面取得不错成果，由于目前对镁合金塑性变形机制尚未完全理解，同时改善镁合金塑性变形能力仍然受到制约。随着计算材料学的发展，密度泛函理论（density-functional theory,DFT）计算不仅可以预测材料力学性能从而指导新型高性能镁合金研发，还能根据不同合金体系层错能变化揭示材料潜在塑性变形机制。因此，结合相应的DFT理论计算，通过有效SPD加工技术制备超细晶或纳米晶镁合金，一方面达到增强增韧的研究目的，另一方面通过晶粒细化过程探讨和揭示镁合金塑性变形机制。　　本论文围绕镁合金增强增韧和晶粒细化展开研究，首先以室温环境下应用的Mg-A1-Zn(AZ80)镁合金为研究对象，通过喷溅成型和等通道角挤压(equal channel angular pressing，ECAP)技术制备超细晶晶粒，结合拉伸性能和显微结构表征分析，探讨AZ80合金强韧化机制;其次，以高温环境下应用的Mg-Gd-Y-Zr镁合金为研究对象，先利用DFT计算从理论上预测合金化Gd和Y元素对材料塑性变形方式和使用性能影响，再利用旋锻(rotary swaging，RS)和高压扭转（high pressure torsion，HPT）技术制备纳米晶粒Mg-Gd-Y-Zr合金，根据力学性能测试和显微组织结构表征分析，对影响合金增强增韧的因素和细化机制以及纳米晶热稳定性能进行详细分析和讨论。本论文主要研究成果包括:　　(1)As-sprayed-ECAP样品的拉伸屈服强度(yeild strength，YS)高达235MPa，断裂延伸率也达到14％，表明结合喷溅成型和ECAP技术明显提高AZ80镁合金强韧性能;显微结构观察发现ECAP加工后样品内形成特殊的双模晶组织:由粗晶镁和包围并隔离粗晶镁晶粒的含有超细晶镁晶粒和椭球形β-Mg17Al12颗粒的变形网状层组成，这种结构有助于同时改善合金的强度和塑性;强化机制探讨进一步表明，第二相析出强化、晶粒细化和位错强化对合金YS增加贡献百分比依次约为55％，20％和15％，由此可见利用ECAP加工细化晶粒和优化析出相颗粒形状和分布对改善合金力学性能效果显著。　　(2)DFT计算发现:合金化Gd和Y元素可以同时降低{0001}<1(1)00>基面滑移和{1(1)00}<11(2)0>柱面滑移的广义层错能(generalized planar fault energy，GPFE)，相比之下柱面滑移层错能更明显的降低可能预示着合金化后非基面滑移更加容易被激活;电荷密度分布调查表明合金体系GPFE的降低主要归因于合金化后电荷重新分布引起滑移面间剪切阻力的减小;结合(0002)基面表面能和位错运动对称性准则以及韧脆转变参数的评估，预测Mg-Gd-Y三元合金体系具有高强度和高韧性的最佳结合。　　(3)采用RS室温下成功制备长约为1000mm的大块平均晶粒尺寸约为80nm的Mg-Gd-Y-Zr合金，室温压缩实验结果表明RS后样品抗压强度高达553MPa;结合宏观断口形貌和显微结构观察，发现增加的压缩强度主要来自于纳米晶晶粒细化;此外，观察发现纳米晶粒内部存在大量基面层错，经鉴定主要为I1和I2型基面层错，疑似发挥主要协调塑性变形作用导致最终纳米晶粒的形成。　　(4)HPT室温下旋转5圈制备的Mg-Gd-Y-Zr合金主要通过连续激活多次孪生进行晶粒分割，与其它以位错滑移为主导进行晶粒细化的镁合金明显不同;显微结构表征表明，局域性多次孪晶被逐渐激活并在周边晶粒转动帮助下演化发展形成大量变形带，而这些多次孪晶主要是一次拉伸孪晶和压缩孪晶以及常见的四种{10(1)1}-{10(1)2}双孪晶变体;本研究工作提出局域化多次孪生变形和变形带的形成很可能是稀土镁合金中一种潜在晶粒细化方式。　　(5)利用HPT技术室温下制备旋转10圈的Mg-Gd-Y-Zr合金，成功获得平均晶粒尺寸约为80nm的晶粒;与RS制备纳米晶样品一致，纳米晶粒内部也存在大量基面层错;结合DFT计算结果，提出通过形成层错来协调主要塑性变形改善了合金整体变形能力，保证了最终纳米晶的形成，而合金化Gd和Y导致体系GPFE降低从而促进了层错变形的发生;此外，该纳米晶样品热稳定性能高达250℃，不逊于同类粗晶或细晶合金的热稳定性能;显微结构观察发现纳米晶合金较高的热稳定性主要是由于第二相在晶界析出强烈钉扎晶界导致;因此，合金化Gd和Y元素，不仅促进大量层错变形从而有助于纳米晶的形成，也有益于形成第二相保证纳米晶合金较高的热稳定性能。