镁合金作为最轻的金属结构材料,在汽车、航天、医疗和电子工业等领域具有广泛的应用前景。但是,镁合金的强度低、塑性差,制约了其工程化应用。因此,研究镁合金的力学行为和变形机制,进而阐述合金的强韧化机理,具有重要的学术价值和工程意义。本研究选用Mg-3Gd（wt.%）合金为研究对象,采用累积叠轧（ARB）及后续不同工艺退火,制备了三种不同微观结构和晶粒尺寸的样品,即纳米结构、微纳层状异构、微米结构。采用拉伸测试、电子背散射衍射技术和透射电子显微分析技术等对不同微观结构和晶粒尺寸样品进行力学性能测试和微观组织表征,系统研究了 Mg-3Gd合金在ARB及退火过程中微观结构的演化、微观结构和晶粒尺寸对Mg-3Gd合金力学行为和变形机制的影响;在微观结构参数定量化的基础上,分析了 Mg-3Gd合金的强韧化机理,提出强度与微观结构的定量化模型。主要研究结果如下:①采用ARB工艺制备了纳米结构Mg-3Gd合金板材;1道次处理后样品的微观结构即得到了大幅细化,样品的微观结构由纳米尺度的孪晶结构、位错结构和纳米晶结构组成,并且孪晶结构的体积分数较高;2-4道次处理后,微观结构进一步细化,但是细化不显著,并且微观结构较为相似。Mg-3Gd样品在形变过程中微观结构细化效率高且结构不均匀,体现出与FCC/BCC金属完全不同的特征。②ARB样品经不同温度1h退火后,样品的微观结构可分为三类:（ⅰ）190℃退火样品的微观结构无明显变化,保持纳米结构;（ⅱ）290℃退火样品的微观结构为微纳层状异构组织,由层状分布的回复区和再结晶区组成,回复区为纳米尺度的位错界面结构和孪晶结构,而再结晶区由微米尺度的细小等轴的再结晶晶粒组成;（ⅲ）310℃-550℃退火样品的微观结构由微米尺度的再结晶晶粒组成,平均晶粒尺寸为3-114μm,且所有样品均为弱基面织构。③纳米结构形变样品的强度高、塑性差;在1h退火到250℃,表现出明显的硬化现象,峰值温度为190℃;退火后Gd元素在晶界、孪晶界、层错和位错等缺陷处偏聚是硬化现象的主要原因。此外,纳米结构退火样品的强度和延伸率较形变样品都增加,拉伸后样品内观察到大量的非基面位错,并发现了 Gd原子对位错的钉扎现象。Gd原子在孪晶界面偏聚和非基面位错在孪晶结构内开动,可有效释放孪晶在变形时产生的局部应力集中,抑制镁合金孪晶结构在形变中存在的过早失效现象。④微纳层状异构结构样品表现出良好的强塑性匹配,其强度与形变样品相当,延伸率大于原始粗晶样品。变形过程中,微纳层状异构组织中软层的界面处产生高密度几何必须位错并持续塞积形成应变梯度,同时产生与外加应力的分切应力方向相反的内应力或背应力,最终提高了异构样品的屈服强度。此外,高屈服应力能够激发<c+a>滑移,降低了硬层的应力集中,进而协调了样品内部的应变分布,维持样品较好的加工硬化率和延伸率。⑤微米结构样品随着晶粒尺寸的减小（114-3μm）,表现出力学行为和变形机制的双重转变:（ⅰ）力学行为的转变,从连续流变应力向不连续流变应力（即出现屈服点现象）的转变;（ⅱ）变形机制的转变,从孪晶和滑移为主导向和<c+a>滑移为主导的转变。此外,随着晶粒尺寸的减小,样品的强度和塑性同步提升,这与FCC/BCC金属经典的强塑性匹配规律完全不同。晶粒尺寸3.3μm样品的力学性能最优,屈服强度173MPa、延伸率36%。基于不同晶粒尺寸Mg-3Gd样品的微观结构参数,定量分析并讨论了 Mg-3Gd不同的强韧化机制,即固溶强化、细晶强化、位错源强化和位错强化,并建立强度与结构参数之间的定量模型。