镁合金因具有高比强度、优良的生物相容性及电磁屏蔽性能等优点,在汽车、生物医疗以及电子器件等领域吸引了广泛的关注。但由于镁合金存在常温塑性成形能力不足的缺点,其进一步推广应用受到了较大的限制。ZK60镁合金具有相对较好的综合力学性能,但其塑性成形能力仍不足以满足具有较复杂形状的零件的成形。搅拌摩擦加工（Friction stir processing,FSP）技术作为一种固态剧塑性变形工艺,可通过细化晶粒组织、调整第二相分布来改善镁合金的力学性能和成形能力。此外,细晶镁合金还能产生超塑性变形,这将极大提高其加工成形性能。本文分别研究了单道次空冷/水下搅拌摩擦加工工艺（Normal/Submerged friction stir processing,NFSP/SFSP）对铸态ZK60镁合金组织演变以及常温力学性能的影响,并深入研究了试验合金的高温变形行为,特别是超塑性变形行为。另外,本文还初步探索了多道次水下搅拌摩擦加工（Multi-pass submerged friction stir processing,M-SFSP）进一步细化镁合金材料晶粒组织的可行性,制备出超细晶ZK60合金,并对其常温力学性能和超塑性变形行为进行了研究。首先,对单道次NFSP制备的细晶ZK60镁合金进行分析研究。结果表明,NFSP工艺成功将母材晶粒尺寸细化至10μm以下,同时Mg Zn2相颗粒被破碎、溶解和分散。加工试样的大角度晶界占比较高,达到了80%以上。组织中形成了（0002）基面织构,最大织构强度约33.52 MRD。NFSP试样常温力学性能较母材明显提高,且随着加工转速的降低而逐渐上升。在高温拉伸测试中,NFSP试样在低应变速率区间产生了超塑性变形,并在623 K、1×10-3 s-1的条件下测得其最大超塑性伸长率为502%,但并未观察到高应变速率超塑性变形（high strain rate superplasticity,HSRS）。NFSP试样在高温变形中应变速率敏感性指数m值介于0.16-0.35之间,且在超塑性变形中观察到了晶界滑移机制的启动。其次,采用单道次SFSP工艺优化ZK60合金铸态组织,研究其组织演变、力学性能及高温变形行为特点。结果表明,加工中的高冷却速率有效抑制了动态再结晶晶粒的长大,制备出了平均晶粒尺寸均小于3μm的试样。第二相颗粒被细化分散,但溶解较少。试样搅拌区的基面织构强度约为50–60 MRD。单道次SFSP试样的常温力学性能优于NFSP试样,最大硬度值为75.5 HV,拉伸性能最佳的1400-40试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为129 MPa、282 MPa和31.2%。高温拉伸中,试样在不同的应变速率区间均具有优良的超塑性变形能力。其中,在673 K、1×10-2 s-1的条件下观察到了最高的HSRS伸长率1205%。这得益于其更为细小的晶粒组织（1.84μm）、较高的HAGBs分数（71.5%）以及较多的弥散分布的细小第二相。材料在HSRS变形时m值接近于0.5,晶界扩散控制的晶界滑移机制为其主导变形机制。晶间孔洞长大机制为塑性控制长大机制。晶间孔洞的连接和长大是导致材料失效的主要因素。最后,研究了M-SFSP工艺对于ZK60合金微观组织以及超塑性变形行为的影响。结果表明,M-SFSP工艺进一步细化了ZK60镁合金的晶粒组织,最小晶粒尺寸为0.94μm,成功制得超细晶ZK60合金材料,但同时试样组织的大角度晶界占比有所下降。试样的基面织构强度进一步提高,达到了80 MRD以上。加工试样强度和塑性指标均优于母材,最高屈服强度达到了139 MPa。晶粒尺寸的进一步细化使M-SFSP试样拥有更好的HSRS变形能力,并在623 K、1×10-2 s-1的条件下获得了最高的HSRS伸长率1422%。在HSRS变形条件下试样最大m值为0.491。其主导变形机制与单道次SFSP试样相同,为晶界扩散控制的晶界滑移机制。晶间孔洞的严重粗化导致了试样的失效。