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近年来,众多研究表明梯度纳米结构镁合金由于其独特的显微组织结构从而具有优异的性能。与其它各类制备梯度纳米结构的表面强化技术相比,超声滚压(Ultrasonic surface rolling process,USRP)工艺不但能使材料产生梯度纳米结构,而且能调控其表面形貌,从而改善材料的综合性能,并且对材料尺寸影响较少。因此,本工作将USRP技术应用于Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr(GZ151K)合金,利用一系列显微组织结构表征、力学性能检测和腐蚀性能测试设备,系统地研究了USRP工艺对GZ151K合金显微组织结构、力学性能、断裂机理及耐蚀性能的影响,从而优化USRP工艺。然后对最优USRP工艺处理后的GZ151K合金样品进行时效处理,并对其显微组织结构演变规律和力学性能特性进行表征,进而研究USRP工艺对GZ151K合金时效析出行为的影响。主要研究结论如下:1.GZ151K合金经过不同压强USRP处理后,在其截面上产生了由大量孪晶组成的表面剧烈塑性变形(Surface deformation,SD)层。且随着USRP处理过程中压强的增加,GZ151K合金平均晶粒尺寸逐渐降低,其SD层厚度逐渐增加,进而形成了不同体积分数的纳米孪晶梯度结构。与原始样品的表面粗糙度相比,经过USRP处理后GZ151K合金表面粗糙度值急剧下降。但当压强增加至0.4 MPa时,材料表面硬化层由于受到过大载荷作用出现破坏,从而导致表面粗糙度增加。其次,在USRP处理后,GZ151K合金的抗腐蚀性能随着粗糙度的降低而增强,当其经过0.4 MPa-USRP处理后,由于样品表面被施加载荷过大,使其表面受到破坏,从而使其抗腐蚀性能降低。2.经过USRP处理后GZ151K合金样品的显微硬度在厚度方面上呈U型分布,且随着压强的增加而整体性提升。虽然GZ151K合金样品经过0.4 MPa-USRP处理后,其屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)值分别增加至278.3 MPa和325.6 MPa,但是其延伸率从12.3%降低至4.2%。经过USRP处理后,在GZ151K合金SD层中的裂纹源由第二相和粗晶晶界交界处转变为孪晶界、第二相和粗晶晶界交界处,裂纹在材料表层穿晶扩展。因此,受USRP处理后GZ151K合金表层裂纹源改变的影响,其延伸率出现急剧下降。此外,经过USRP处理后合金的应变硬化行为也发生改变。在应变硬化第Ⅲ阶段:USRP处理后GZ151K合金的应变硬化率比原始态高,且随着压强的增加,应变硬化率也随之提高;而在应变硬化第Ⅳ阶段,经过USRP处理后,样品的应变硬化率下降,且随着USRP处理过程中压强的增加,应变硬化率随之降低。3.未经过USRP处理和经过0.3 MPa-USRP处理的GZ151K合金样品分别在150℃、200℃和250℃下进行不同时效时间的人工时效处理,其时效处理的最佳工艺均为200℃/100h。时效处理并未改变纳米孪晶梯度结构GZ151K合金显微硬度沿厚度方向呈U型分布的趋势。经过时效处理后,GZ151K合金中相的组成成分以及其分布并未改变。但由于USRP工艺使得GZ151K合金样品引入大量孪晶并使Gd-Zn元素周期性偏聚在孪晶界中,从而促使(Mg,Zn)3Gd相在孪晶区域析出,进而使得USRP工艺对GZ151K合金析出行为起强化作用。