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镁及镁合金材料具有比强度/刚度高、密度低、良好的锻造、切削加工性等优点,而且资源丰富、可回收性好,被称为“21世纪绿色材料”,近年来在航空、航天、数码产品、汽车行业等诸多领域有着广泛的应用前景。但镁合金密排六方的晶体结构特点,决定了其在室温下的独立滑移系少,导致室温塑性差、变形加工难度大且变形容易开裂。提高镁合金的室温塑性变形能力和强度有利于镁合金工程应用的普及和推广。研究表明,细化晶粒是一种可以提高金属构件强度,同时又能有效改善塑性和韧性的有效方法。近年来,大塑性变形技术（Severe plastic deformation,SPD）被公认为是最具前景的制备超细晶的先进方法。其中,等通道转角挤压（Equal Channel Angular Pressing,ECAP）是当前研究最广泛且发展最为迅速的一种SPD技术。然而,ECAP工艺仍存在过程繁琐不连续、效率低下等缺点。除了ECAP技术,半固态成形技术具有工艺流程短,耗能少等优点,它的出现同样为金属材料成形技术的发展带来了新的契机。针对以上情况,本文将传统ECAP工艺与半固态成形工艺相结合,基于“缩短流程,工艺耦合”的想法,以镁合金为研究对象,设计开发出一套新型半固态挤压剪切（Semi-Solid Extrusion Shear,SSES）复合成形工艺,从而达到经济高效地制备组织细小均匀镁合金的目的。本文综合了金属凝固原理、塑性变形原理、有限元数值模拟技术等理论知识,运用理论分析、数值模拟以及实验研究相结合的手段,制定了合适的SSES工艺参数;探究了SSES成形过程中的浇注凝固过程与塑性流变特征;讨论了材料不同参数对微观组织、力学性能的影响规律;阐明了SSES工艺过程的组织演变规律和晶粒细化机制。从而揭示了SSES工艺与微观组织和力学性能之间的内在联系。得出了以下主要研究内容和结论:（1）首先分析了合金铸造过程数值模拟中充型过程和凝固过程的数值模型。探究了适用于塑性变形仿真模拟的刚塑性有限元理论的假设条件,并推导了理论公式。采用Pro CAST铸造模拟软件和Deform-3D变形模拟软件,对整个复合工艺过程进行分段模拟分析,从而简单,准确的模拟整个半固态挤压剪切复合工艺的过程。揭示了变形过程中材料的挤压载荷、应力、应变等场量的分布及铸件浇注过程的变化规律。同时,明确了SSES工艺变形过程中的关键影响术因素,确定了合理的工艺参数和成形方案。模拟结果表明,SSES工艺的浇注温度应为680℃～700℃,模具温度应为300℃～350℃。（2）结合模拟与实验的结果,选用合适的工艺参数,以确保SSES工艺在保证镁合金顺利成形的同时,有效避免凝固带来的气孔和缩松等缺陷。本文选择浇注温度为700℃,模具温度为350℃。随后探究不同剪切角度对SSES工艺挤压棒材组织、宏观织构和力学性能。结果表明:剪切角能引入大量应变,促进再结晶,有利于细化晶粒;但平均晶粒尺寸并不随剪切角度的减小而持续减小,当角度达到135°时,再结晶晶粒尺寸已出现长大的迹象,且综合力学性能与150°时基本持平。因此SSES工艺的剪切角度不宜过小,应选在150°～180°之间。（3）对比了380℃-DE（Direct Extrusion,DE）工艺和SSDE（Semi-Solid Direct Extrusion.SSDE）的组织与性能发现:与380℃-DE相比,SSDE镁合金组织均匀,晶粒细小,织构弱化。SSDE挤压样品的宏观织构极值强度仅为380℃-DE的44%;同时在强度略高的前提下,伸长率为其1.6倍。分析两工艺挤压过程组织演变的异同,推断出AZ31镁合金SSES成形过程的组织演变规律和晶粒细化机制:在SSES工艺初期,液相通过结晶形核形成了项链状的细小晶群;随着挤压进行,液相逐渐减少,位错滑移开始启动,固相大晶粒中的亚晶界通过滑移和攀移极易发生动态再结晶并形成团簇状的小晶群。进入剪切转角后引入可更多剪切应变,同时发生连续动态再结晶和不连续动态再结晶两种机制,进一步细化了晶粒尺寸。（4）在SSES大变形速率的启发下,开展了挤压速度为90 mm/s的快速挤压剪切（Fast Extrusion Shear,FES）研究。采用同一套模具针对AZ31镁合金研究了不同温度和剪切角度下的FES工艺。对比模拟结果和实验结果发现:适当增加挤压剪切（Extrusion Shear,ES）工艺的挤压速度,有利于增大等效应变,减少应力集中和过大的现象,还能一步提高ES工艺的加工效率和实用性。与ES工艺相比,FES工艺能在更小的挤压比,更大的剪切角度下,以及更简单的工艺流程下达到与其相同的晶粒细化效果,且综合力学性能更优。在FES工艺过程中,剪切转角部分可以有效地引入沿棒材横向的应变差,促进了动态再结晶的进行和晶粒的转动,从而改变了AZ31镁合金棒材的微观组织和织构。随着剪切角度的减小,再结晶过程更完全,但会引起棒材横截面组织的不均匀。挤压温度升高可以促进动态再结晶过程,细化组织;但温度过高（450℃）后晶界的迁移速率快,导致平均晶粒尺寸增大至55.7μm。综合晶粒细化效果,组织均匀性以及综合力学性能考虑,剪切角度的范围应在135°～180°之间;挤压温度应在350℃～400℃之间。对比ES、FES和SSES三种工艺可知,SSES对AZ31镁合金的晶粒细化效果最好,且组织均匀性高,综合力学性能优异。