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在科学与技术取得巨大进步的今天,铜、铝、铁、锌等金属矿产资源正在贫瘠化,环境污染日益严重,人们的节能减排和环境保护意识逐渐增强,工程材料的轻量化备受关注。镁合金被公认为新世纪的绿色工程材料,相较于铝合金、铜合金等其他金属合金,它具有比强度和比刚度高、减振性能好、切削加工性能好、磁屏蔽性优良等独特的优点。但是镁合金塑性差、绝对强度低、摩擦磨损性能差且容易被腐蚀,这些缺点极大地限制了其应用。表面机械研磨处理(SMAT)是新世纪后发展起来的一种表面改性技术,它通过使材料表面纳米化并形成一定厚度的梯度纳米结构,从而提高金属材料综合力学性能。然而,SMAT处理后,尽管合金的强度得到明显的提高,但延伸率却大幅下降,合金的综合力学性能并未显著提高。深冷处理是常规冷处理的延伸,它可以改善镁合金的组织均匀性,促进合金中第二相颗粒的析出,从而提高材料的强度、塑性和耐磨损等性能。本文基于提高AZ31镁合金综合力学性能的研究目的,采用深冷处理对AZ31镁合金进行预处理,然后再进行不同时间的SMAT处理。通过金相显微镜、X射线衍射、扫描电镜及透射电镜表征了深冷及深冷SMAT处理前后合金微观结构的变化,还测定了处理前后合金硬度、强度及延伸率等力学性能,讨论了深冷及深冷SMAT对AZ31镁合金微观结构和力学性能的影响,探讨了材料组织演变和性能改善的机理,得到如下结论:1.AZ31镁合金经过深冷处理后,显微组织方面晶粒更加细化且伴有更多更均匀的β-Mg颗粒的析出,合金的强度硬度略有增大,延伸率和断裂韧性获得大幅提高。深冷7d后,试样的平均晶粒尺寸由6.8μm细化至6.1μm,β-Mg颗粒的体积分数由1.1%增加至4.2%,且颗粒平均直径减小了40%。合金内晶粒的小幅细化使材料的强度硬度有所增加,更多且更均匀的第二相析出导致AZ31镁合金在塑性变形过程中更易发生孪生变形,深冷7d后合金的塑性大幅提升42.8%,断裂韧性显著提高49.2%,断裂机制呈现由准解理断裂向韧窝断裂转变的趋势。2.AZ31镁合金经过深冷SMAT处理后,表面层的晶粒细化至纳米级,形成了由表及里晶粒尺寸逐渐增大的梯度纳米结构;合金的强度、硬度显著提高,但塑性和断裂韧性却明显下降,深冷7d+SMAT 3min处理后试样的综合力学性能最好。随着SMAT时间的增加,深冷7d后的试样表面晶粒逐渐细化,梯度纳米结构层厚度和硬度逐渐增大,SMAT 6min后表面层晶粒细化至约38nm,梯度纳米层厚度可达147μm,硬度增大约51%。SMAT处理过程中的剧烈塑性变形会显著增大材料的位错密度,使位错运动受到阻碍,加工硬化率提高,从而降低AZ31镁合金的塑性和断裂韧性,合金的断裂机制由韧窝断裂向解理断裂转变。但同时合金的屈服强度和抗拉强度大幅增加,经SMAT 3min处理后达到最大值,分别提高约33.7%、32.3%。3.选取了深冷7d后的合金进行不同时间的SMAT处理,经过深冷与SMAT复合处理后,AZ31镁合金屈的服强度、抗拉强度明显提高,延伸率的降低程度减小,获得了良好的强度-塑性匹配,综合力学性能明显更优。在进行SMAT处理前进行深冷预处理可以使AZ31镁合金析出更多的β-Mg颗粒,且分布更加均匀。这些第二相颗粒在合金的SMAT处理过程中可以促进孪晶的形核并抑制孪晶长大,有利于材料剧烈塑性变形时应力的释放,减缓加工硬化率的下降趋势,从而降低SMAT处理对AZ31镁合金塑性的损害;同时,第二相颗粒能阻碍拉伸变形过程中位错的滑移和交错等运动,从而增大SMAT处理后AZ31镁合金的强度。