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塑性变形是镁合金中实现细晶强化的常用方法,然而受到温度、应变量和应变速率等的限制,通常使用的常规挤轧锻加工方法和大塑性变形技术只能获得微米级和亚微米级晶粒尺寸的镁合金,而难以实现进一步的晶粒细化。表面机械研磨处理（SMAT）作为一种表面处理手段,利用钢球在室温下对金属进行高应变速率击打,从而获得表面纳米晶,伴随有晶粒尺寸逐渐增大的梯度晶结构。然而,SMAT在镁合金中的应用都集中在表面耐磨、耐蚀等方面,很少有将其作为镁合金整体拉伸性能强化手段的科学研究。本课题将SMAT作为一种室温高速率变形的塑性加工方法,应用于镁合金强韧化方面,研究其组织变化以及对镁合金整体室温拉伸性能的影响,从而揭示其中蕴含的各种组织强韧化机制。为了更好地调控SMAT变形组织,研究了Mg-3Gd合金以及铸态、固溶（T4）态、时效（T6）态Mg-7Al-2Sn（AT72）合金在SMAT过程中的微观变形机制和晶粒细化机制,发现高密度孪晶在无第二相镁合金的变形和细化中起到重要作用且残留于变形组织中。为了利用变形孪晶进一步强化镁合金,对SMAT变形镁合金进行热处理,观察孪晶界面结构成分演变,并结合截面硬度和室温拉伸性能阐释孪晶强韧化机制。因此,本课题主要采用SMAT变形及热处理工艺,制备调控含有表面纳米晶、中心高密度孪晶的梯度结构Mg-3Gd和AT72合金,将细晶强化、孪晶强韧化和背应力强化等机制协同应用于同一材料中。观察Mg-3Gd和AT72合金SMAT变形前后微观组织和力学性能的演变,可以得到以下规律和结论:原始晶粒尺寸43μm的等轴再结晶Mg-3Gd合金,在20 kHz的振动频率下进行SMAT处理4 min,便可获得梯度结构,从表面到中心依次为:表面30μm厚的纳米晶层（晶粒尺寸50–100 nm）、尺寸逐渐增大的亚晶层、高密度孪晶层以及中心低密度孪晶层。合金拉伸屈服强度显著提高,但延伸率明显下降。强度的提高主要源于SMAT冷变形残余位错在室温拉伸过程中的加工硬化效果,拉伸过程中的应变硬化空间太小也是导致其塑性很差的原因。Mg-3Gd合金SMAT变形机制以孪生为主导,变形组织中存在大量孪晶,且以拉伸孪晶为主。随着应变不断增大,孪晶片层发生交互作用,或者孪晶片层内位错堆积缠结,进而形成亚结构。在应变进一步增大的情况下,为降低能量,位错发生重排,亚结构之间取向差随应变逐渐增大,反映出亚晶旋转的过程,当小角晶界在旋转作用下逐渐变成大角度晶界,便完成了动态再结晶过程。亚晶旋转动态再结晶机制在表面纳米化过程中起到重要作用。通过AT72合金研究了第二相对SMAT变形机制影响及动态析出情况。大块状或者弥散析出的第二相都会抑制孪生形式,变形全部由位错滑移主导,主要是由于第二相使得α-Mg中晶体结构不均一而抑制孪生发生,另外大量的相界面可以提供变形过程中的位错源,产生大量位错来协调变形。相比之下,α-Mg单一相组成的T4态AT72合金和Mg-3Gd合金,在SMAT变形过程中,会产生大量孪晶。所有状态的AT72合金都会在SMAT高速变形的驱动下产生大量圆形Mg2Sn动态析出颗粒。对比SMAT变形后和退火处理后Mg-3Gd和AT72合金的微观组织和力学性能,可以得到以下规律和结论:SMAT变形Mg-3Gd合金退火后仍保持梯度结构,表面纳米晶尺寸120–200 nm,没有明显长大现象,表面层硬度相比于退火前几乎没有下降;而中心孪晶区孪晶没有明显减少,硬度有一定的提高,说明Gd偏聚使得孪晶界面强度进一步提高。相比原始合金,室温拉伸屈服强度的提高程度是塑性损失的两倍,且均匀延伸率（11–15%）比较可观。SMAT退火Mg-3Gd合金中的各种强化效果及其所占比例为:孪晶细化晶粒产生的强化效果（44.56%）,孪晶界溶质偏聚强化效果（31.24%）,表面纳米超细晶的细晶强化效果（16.54%）,晶粒尺寸逐渐增大的梯度区域的细晶强化和背应力强化效果（7.66%）。半径大于Mg的Gd原子倾向于固溶在共格孪晶界（CTB）的拉伸位置,第一原理计算表明,这种有序偏聚会降低体系能量。而在近似共格的孪晶界处发现双层孪晶界面结构这一特殊现象,计算表明,Gd与Mg较大的半径差导致双Gd原子在孪晶界固溶时占据的最稳定和次稳定位置会互相调节达到平衡,从而形成双层界面结构。在退火Mg-3Gd合金中,首次在拉伸孪晶中发现了一种含Gd偏聚的新型非共格孪晶界（ITB’）,不但不平行于{10（?）2}孪晶面,而且不平行于[1（?）10]方向。它比CTB和普通的ITB具有更低的有序度,更接近大角度晶界,因而会具有更强的阻碍位错能力和更高的界面强度。含孪晶的AT72合金退火后,在拉伸孪晶界上观察到明显的Al元素偏聚,且首次发现Sn原子在孪晶界上的纳米级间距偏聚。第一原理计算表明,原子半径小于Mg的Al、Sn原子固溶在孪晶界上的压缩位置,因为有利于体系能量的降低而可以稳定存在。Al+Sn的孪晶界固溶情况分析表明,Sn原子纳米级偏析间隔主要由Al、Sn浓度比导致,次稳定位置的占据倾向于同种原子相邻偏聚。强韧化机制研究表明,SMAT退火Mg-3Gd合金拉伸过程中发生逐层屈服现象,直至表面超细晶发生屈服后,材料整体进入塑性阶段。由于退火过程使得SMAT变形合金中的局部应力集中和位错密度过高有所消除和缓解,因此屈服强度的提高主要来源于结构本身,且后续塑性阶段的应变硬化得以充分发挥,所以材料的塑性也比较可观。表面细晶区硬度较高,使得裂纹长大扩展受到位错硬化的同时,还受到结构本身较高硬度的阻碍,因此梯度结构也有助于材料增韧。SMAT变形结合退火处理是一种制备梯度结构镁合金的有效方法,可获得表面纳米晶、过渡晶和中心孪晶组织,分别为材料整体拉伸性能提供细晶强化、背应力强化和孪晶强化效果。在梯度结构中协同应用多种强韧化机制,不同于制备均匀组织、发展一种强化机制的传统研究思路,为突破镁合金强韧化瓶颈提供了新的可能性。