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变形镁合金作为轻量化材料具有低密度和高比强度的显著优势,在交通运输、航空航天和电子产品等行业具有广阔的应用前景。但是,目前商用变形镁合金的强度仍然较低,限制了其进一步应用。因此,开发新型高强韧变形镁合金具有重要的现实意义。本文采用多元微合金化的合金设计思路,以工业中常用的ZK60为基础合金,通过研究少量Cu、Ce和Gd元素对其显微组织和力学性能的影响,研发了具有高强韧性的Mg-6Zn-0.5Zr-0.5Cu-0.5Ce和Mg-6Zn-0.5Zr-1.0Gd-0.5Ce新型变形镁合金,并对其变形工艺和强化机理进行了研究。首先,本文研究了Cu、Ce、Gd单独添加对ZK60合金凝固组织的影响。研究表明,添加Cu,合金中形成具有高熔点的MgZnCu相(C15类型Laves相);添加Ce,合金中形成Mg-Zn-Ce相(T相);添加Gd,合金中出现Mg2Zn6Gd准晶相(I相)和Mg3Zn3Gd2相(W相)。由于不同元素在凝固过程中对α-Mg枝晶生长的抑制作用不同,Gd 比Cu能更为有效地细化凝固晶粒。基于单独微合金化的研究结果,选择Cu/Ce、Gd/Ce复合添加研究微合金化对ZK60合金的影响。研究表明,Cu/Ce或者Gd/Ce复合添加后,凝固组织晶粒细化;合金的物相组成是单独添加时合金中物相组成的叠加,Gd/Ce复合添加可能会促进W相形成,未观察到新的金属间化合物出现。其次,本文研究了在挤压温度为350 ℃、挤压比为39和挤压速率为0.5 mm/s条件下,Cu、Ce、Gd单独添加或者Cu/Ce、Gd/Ce复合添加对ZK60合金显微组织和织构的影响。研究结果表明,Cu、Gd或者Cu/Ce、Gd/Ce复合添加均能降低ZK60合金的平均再结晶晶粒尺寸。随Cu含量增加,动态再结晶分数下降;Ce能促进动态再结晶;少量Gd(<1%)降低再结晶分数,但2%Gd可促进动态再结晶。动态再结晶程度受到固溶原子、纳米析出相以及未完全溶解的第二相综合作用。Cu、Ce和Gd能影响ZK60合金的挤压织构。所有实验合金都表现为基面织构,但仅有Ce或Gd(<1%)单独添加时能略微弱化合金织构,复合添加条件下合金的织构强度明显上升,未发现<1-211>//ED稀土织构产生。Cu、Gd、Cu/Ce或者Gd/Ce的添加均能细化ZK60合金中纳米析出相,即细化[0001]α棒状相的长度和直径、类球状相直径约为ZK60合金的1/2～1/3。此外,含Gd合金中明显存在基面析出相,Mg-6Zn-0.5Zr-1.0Gd-0.5Ce合金中还形成[0001]α针状相。最后,研究了微合金化对实验合金拉伸性能的影响。结果表明,Cu/Ce或者Gd/Ce复合添加比单独添加能更显著地提高ZK60合金的拉伸性能。本文研发的两种Mg-6Zn-0.5Zr-0.5Cu-0.5Ce和Mg-6Zn-0.5Zr-1.0Gd-0.5Ce变形镁合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为303 MPa、347 MPa和19.5%以及329 MPa、361 MPa和 20.2%。其中,Mg-6Zn-0.5Zr-1.0Gd-0.5Ce 合金的屈服强度相对ZK60、Mg-6Zn-0.5Zr-1.0Gd和Mg-6Zn-0.5Zr-0.5Ce合金分别提高86 MPa、51 MPa和69 MPa。经过T5处理,两种实验合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为319 MPa、354 MPa和15.8%以及345 MPa、363 MPa和20.5%。合金力学性能的提高是细晶强化、第二相析出强化、以及织构强化共同作用的结果。