变形镁合金比强度和比刚度高,因此在结构材料减重方面有着巨大的应用潜力。然而镁合金的晶体学结构为典型的密排六方结构,与铝合金和钢铁材料相比,室温下滑移系少,导致合金的室温塑性较差,另外镁合金较差的加工性能以及较低的强度限制了其应用。因此急需开发高塑性兼具高强度的变形镁合金来扩大镁合金的使用。国内外的诸多研究显示稀土元素可以有效提高镁合金的塑性,且强度较高,但稀土价格昂贵,不利于镁合金的工业应用。因此,低成本无稀土镁合金受到广泛关注。本文意图开发高塑性兼具较高强度的低成本无稀土镁合金,为此制备了不同Ca含量的Mg-Zn-Ca合金和不同Ca、Mn含量的Mg-Zn-Ca-Mn合金。通过OM、XRD、SEM、EBSD、TEM、拉伸测试等手段研究了合金元素含量对铸态组织、挤压态组织和力学性能的影响规律。分析了挤压态合金的动态再结晶、织构演变、强韧化机理等。主要实验结果如下:(1)Mg-4Zn合金中加入Ca以后第二相主要是Ca2Mg6Zn3相和MgZn相。Mg-Zn-Ca合金挤压后均发生完全动态再结晶。加Ca后,Mg-Zn合金的挤压态晶粒得到明显的细化,主要的再结晶机制是粒子促进形核(PSN)。动态再结晶的发生不仅细化合金晶粒,还有利于弱化挤压态Mg-Zn合金的基面织构。而且Ca的加入降低合金的c/a值,提高合金的晶格对称性,使挤压态合金的织构形态沿挤压方向(ED)分裂,呈现出典型的稀土镁合金织构形态,合金的基面织构得到显著弱化。(2)Mg-Zn-Ca挤压态板材的屈服强度和抗拉强度随着Ca含量增加而逐渐增加。合金的强化机制主要包括:细晶强化、固溶强化、弥散强化和织构强化。由于晶粒细化和基面织构弱化,Ca的加入显著提高了挤压态Mg-Zn合金的塑性,当Ca含量为0.3wt.%时,表现出最高的塑性,为27%。当Ca含量增加至0.6wt.%时,合金的延伸率又有所下降。Ca的加入显著降低了Mg-Zn合金挤压板材的各向异性。各个合金都体现出ED方向的延伸率最高,45o方向的次之,板材横向(TD)的最差,强度的变化则与此相反。其中Mg-4Zn-0.3Ca合金表现出了最佳的综合力学性能,ED方向屈服强度为121MPa,抗拉强度为252MPa,延伸率达27%。(3)Mg-Zn-Ca-Mn合金中当Ca含量较低时对铸态合金晶粒的细化不明显,当Ca含量增加至1wt.%时,可以显著细化铸态合金晶粒。挤压后的再结晶机制主要是粒子促进形核机制(PSN)。随着Mn或Ca元素的增加,粗大第二相逐渐增多,同时合金中析出的纳米级和亚微米级的沉淀相逐渐增多,有效阻止再结晶晶粒的长大和形核,导致合金的未再结晶区域均逐渐增加,再结晶晶粒尺寸逐渐减小。Ca元素可以显著弱化合金的再结晶织构,但由于随着Ca含量的增加未再结晶区域逐渐增大,因此呈现出随Ca含量的增加织构强度逐渐增加的趋势。合金织构强度随Mn含量的变化趋势与Ca相同。(4)与Mg-4Zn-xCa合金相比,挤压态Mg-Zn-Ca-Mn合金的屈服强度得到了很大的提升。并且随着Ca或Mn含量的增加,合金的屈服强度逐渐增加,从165MPa上升至327MPa。合金抗拉强度也得到了较大的提升,屈强比也相应的逐渐增加。细小的再结晶晶粒、未再结晶区域的强织构和大量细小的析出相对屈服强度的提高有很大贡献。挤压态合金的塑性随着未再结晶区域的增加而降低。对于Ca含量为0.3wt.%的三个合金的而言,其再结晶程度较高,晶粒细化和织构弱化共同作用使得合金的延伸率较高(25.6%~29.8%)。当Ca含量为0.3wt.%和0.6wt.%时,Mn的加入大幅提高合金的强度,同时塑性的损失较小,这一系列合金的屈服强度为165~286MPa,抗拉强度为270~320MPa,延伸率为29.8%~16.4%,可以获得较好的综合力学性能。