镁作为最轻的金属结构材料之一,以比强度高、比刚度高等优点在汽车制造和航空航天等领域具有重要的应用价值和巨大的应用潜力。镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”,镁合金应用于轻量化与节能减排等领域,具有极大的社会价值和经济效益。然而,镁合金较低的绝对强度极大地限制了其广泛应用。因此,开发高强度镁合金对于推广镁合金及其产品的应用具有重大理论指导价值和工程意义。Mg-Gd系镁合金是最具有潜力的高强度镁合金开发体系之一。学者们针对高强度Mg-Gd系镁合金开发进行了大量的工作,研究内容涉及时效行为、再结晶组织等多个方面,但所做工作缺乏系统性,且工艺和强度仍无法同时满足工业化需求。本论文同样选择Mg-Gd系合金作为研究对象,力图在前人工作的基础上,系统性地从合金元素、挤压工艺、热处理工艺综合调控Mg-Gd系合金组织和性能。本论文共七章,第一章讲述镁合金的部分性能及研究现状,第二章为本论文工作的实验设计与方法。第三到第六章为本论文主要研究内容,其中第三章研究微合金化元素Zn、Zr、Mn对铸造Mg-Gd(-Zn)合金组织和性能的影响;第四章研究Zr和Mn对变形Mg-Gd-Zn合金组织和性能的影响,两章共同以确定高强度镁合金成分组成。第五章研究挤压温度对合金组织和性能的影响,以确定最合适的高强度合金组织;第六章展示挤压后热处理(即应变时效)影响。结合成分、挤压工艺和应变时效,综合开发出超高强度镁合金。第七章为主要结论和创新点本论文从成分、工艺和组织三个方面着手,研究了镁合金中复合析出相、微合金化调控再结晶行为、复合晶粒组织、新型应变时效方式的强化效果与机理。在此基础上,充分发挥细晶强化、织构强化、LPSO结构强化、析出强化和加工硬化作用,开发出了超高强度(拉伸屈服强度>500 MPa,抗拉强度>550 MPa)变形镁合金。并对复合析出强化、双峰组织强化和应变时效强化等强化机理进行了深入研究,为开发高强度镁合金开提供了理论和实验指导。本论文主要内容和结果如下:1.系统研究了添加Zn元素对铸造Mg-15Gd-0.4Zr(wt.%)合金的晶粒尺寸、析出相种类、时效行为和力学性能的影响。研究结果表明,Mg-Gd-Zr合金中添加Zn会降低Gd在Mg中的共晶温度与平衡固溶度,造成共晶相难以溶解,残余共晶相会抑制固溶过程中晶粒长大。更重要的是,Mg-Gd-Zr合金中添加Zn会引入基面γ′相。位相关系互相垂直的基面γ′相和棱柱面β′相比单独的β′相能产生更显著的析出强化效果,可以有效强化晶体内部。复合析出强化效应使铸造Mg-Gd-Zn-Zr合金表现出了优异的力学性能:抗拉强度为403 MPa,拉伸屈服强度为288 MPa,延伸率为2.9%。2.系统研究了Zr和Mn元素对铸造Mg-15Gd-1Zn(wt.%)合金中相组成的影响。研究结果表明:Zr会通过形成Zn-Zr相消耗了部分Zn原子,从而抑制了晶界上具有LPSO结构的X相与晶内LPSO结构的形成;相反地,添加Mn会促进晶界上X相与晶内LPSO结构的形成,同时,将硬脆的(Mg,Zn)3Gd相转变为韧性的X相可以提高合金的延伸率与抗拉强度。3.系统研究了Zr、Y和Mn元素对变形Mg-Gd-Zn系合金再结晶行为的影响。研究结果表明:在Mg-Gd-Zn系合金中添加Zr可以通过引入Zn-Zr颗粒与Mg(Zn,Zr)颗粒钉扎晶界从而抑制热挤压中的再结晶晶粒的长大。在Mg-Gd-Zn系合金中分别添加Y和Mn可以通过促进晶内LPSO结构的形成来抑制合金再结晶,并促进不完全再结晶的双峰组织的形成。4.系统研究了差温挤压相较于等温挤压对Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr(wt.%)合金显微组织和室温力学性能的影响。研究结果表明:变形后,差温挤压比等温挤压可提供更快的冷却速度,从而形成较细小的再结晶晶粒。差温挤压前更高的预热温度减少了合金在预热过程的析出,这为挤压后时效提供了更强的析出强化效果。两者的综合效果使差温挤压合金具有比等温挤压合金更高的强度和塑性。5.系统研究了双峰组织和等轴晶组织对合金强度和屈服不对称性等力学性能的影响。研究结果表明:双峰组织可以显著提升合金的拉伸强度,强化原因在于未再结晶晶粒的织构强化与再结晶晶粒的细晶强化作用。同时,当应变量较小时,双峰组织中细小再结晶晶粒抑制孪生,从而降低合金的屈服不对称性。双峰组织样品表现出很高的拉伸屈服强度(465 MPa),抗拉强度(524 MPa)和极低的屈服不对称性(0.99)。相反,等轴晶组织不利于拉伸性能的提升和屈服不对称性的降低,但却能显著提升抗压强度,其原因是其织构类型利于拉伸中拉伸孪晶形成而不利于压缩时拉伸孪晶的形成。时效后,等轴晶组织的样品表现出较高的压缩屈服强度(500 MPa)、抗压强度(520 MPa)和较高的屈服不对称性(1.39)。6.系统研究了应变时效对Mg-13Gd-1Y-1Zn-0.4Zr/Mn(wt.%)合金析出行为以及力学性能的影响。研究结果表明:相对常规时效而言,应变时效可使样品获得更强的时效强化效果。此外,应变时效方式对析出强化能力也有显著影响。相较仅冷轧制的应变时效,采用冷轧制复合预拉伸的应变时效产生了更强的加工硬化效果,显著增加合金的屈服强度。最终,开发出了具有超高室温拉伸屈服强度(543MPa)和抗拉强度(564 MPa)的变形Mg-13Gd-1Y-1Zn-0.4Mn(wt.%)合金。