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镁合金作为工程应用中最轻质的金属结构材料,在航空航天、汽车、电子产品和生物医学等领域具有广阔的应用前景。但是,相比于钢铁、铝合金和钛合金等其他结构材料,镁合金的强度偏低,而且密排六方的晶体结构导致其室温下可开动滑移系较少,成形性较差,严重制约了镁合金的广泛应用。近些年来,通过提高应变速率、微观织构调控、晶粒细化和合金化等途径可以有效提高镁合金的力学性能（包括强度和塑性）,但是有关强韧化微观机制还有待更系统深入、更有针对性的研究,特别是对非基面位错、层错组态、孪生行为、位错滑移机制以及析出相强化机制的探索。本文以纯镁、Mg-Y系合金以及Mg-Gd系合金为研究对象,开展了力学性能（静态拉伸、动态压缩）测试,利用先进的表征技术在原子尺度上系统研究了变形样品中的晶体缺陷（包括孪晶、位错和层错）,并详细阐明这些晶体缺陷诱导的强韧化微观机制,揭示了镁合金变形机制与力学性能的内在联系。本文的主要研究成果包括:（1）晶粒细化可以同时提高多晶纯镁的强度和塑性。在粗晶态变形样品内（（?）=125μm）,仅有基面＜a＞位错得到激活。随着晶粒尺寸减小至51μm,除了基面＜a＞位错,还可以观察到＜c＞位错和I1层错。另外,细晶态样品内（（?）=5.5μm）有大量锥面＜c+a＞位错得到开动,其拉伸塑性和加工硬化能力得到显著提高,均匀延伸率由粗晶态样品的5.3%提高至18.3%。晶粒尺寸不会影响纯镁的孪生机制,三种纯镁试样的变形组织内均会出现{10（?）2}孪晶。除了传统的细晶强化作用,高密度的纳米间距层错也会阻碍非基面位错的滑移运动,从而带来额外的强化效果。此外,流变应力会随着晶粒尺寸的减小而增加,从而导致＜c+a＞位错的激活。然而,＜c+a＞位错不稳定,会以两种方式发生分解,形成＜c＞和＜a＞位错或者I1层错。（2）少量稀土钇元素的添加可显著提高镁合金的拉伸塑性,Mg-3Y样品的均匀延伸率高达21.5%,约是纯镁材料的四倍（均匀延伸率仅为5.4%）。纯镁样品主要依靠基面＜a＞位错滑移以及{10（?）2}孪生协调变形,导致其室温拉伸塑性较差,而Mg-3Y变形样品内还有大量堆垛层错、非基面＜c＞以及＜c+a＞位错得到激活。Mg-3Y样品内观察到的基面层错均是I1、I2内禀型层错,没有发现外延型层错。I1、I2型层错的边界分别是弗兰克不全位错（b=1/6＜20（?）3＞）和肖克利不全位错（b=1/3＜10（?）0＞）。稀土钇元素的添加会显著降低镁合金的层错能,导致高密度堆垛层错的形成。另外,＜c+a＞螺位错可以在不同类型的{10（?）1}和{11（?）2}锥面上进行双交滑移运动,这不仅可以增加潜在的位错形核源,而且还能促进位错的增殖和湮灭过程,有助于Mg-3Y合金维持良好的拉伸塑性和加工硬化能力。（3）Mg-5Y合金在四种不同应变速率(800、1000、1300和2000 s-1)的高速变形下,压缩应变随着应变速率的增加呈持续增大的规律,对应的最大抗压强度（Ultimate compressive strength,UCS）也呈逐渐增加的趋势,应变速率2000 s-1的样品UCS高达519 MPa,压缩应变为0.21。变形样品内没有形成绝热剪切带,这主要源于Mg-5Y合金在高应变速率变形下加工硬化带来的强化效应远大于热软化效应。变形样品内的小角度晶界比例都显著提高,大量{10（?）2}变形孪晶得到激活。应变速率2000 s-1的样品内缺陷密度最高,小角度晶界比例高达～73.4%,多种不同类型的孪晶系均得到激活。Mg-5Y合金主要依靠多次孪生、基面＜a＞位错、非基面位错以及I1层错协调变形。在不同应变速率的动态变形下,四种样品均表现出三段式的加工硬化行为。形变孪生、非基面位错以及层错的强韧化是Mg-5Y合金具有高加工硬化能力的主要原因。（4）Mg-10Gd合金最佳的时效温度是200℃,峰值硬度高达102.4 HV,时效样品硬度的提高主要来源于析出强化,β’纳米析出相是其主要的强化相。而样品在225℃下也具有一定的时效硬化效果,由于“葫芦”状的β’相较为粗大,峰值硬度仅为89.4HV。两种Mg-10Gd时效样品（200℃-20 h和225℃-40 h）内的β’析出相长轴尺寸分别为7.1 nm和102.5 nm。未时效退火样品的屈服强度（Yield strength,YS）为134 MPa,抗拉强度（Ultimate tensile strength,UTS）为190 MPa,均匀延伸率（Uniform elongation,UE）为9.5%。两种时效样品的YS均提高到190 MPa左右,200℃-20 h样品的UTS为267 MPa,UE为4.2%,均高于225℃-40 h样品（UTS=230 MPa,UE=3.2%）。时效样品主要依靠基面＜a＞位错、非基面＜c＞或＜c+a＞位错以及I1层错来协调拉伸变形,不同尺寸的β’相均可被基面＜a＞位错剪切变形。两种时效样品的屈服强度均显著提高,这主要源于位错克服共格界面的应力场而滑移所需的应力增大。同时,由于位错滑移的临界分切应力增量更大,200℃-20 h时效样品继续协调应变需要更大的外加应力,达到的强化效果也更好,这也是其抗拉强度高于225℃-40 h时效样品的根本原因。β’析出相会显著降低Mg-10Gd合金的拉伸塑性,但是析出相尺寸会影响拉伸塑性的降幅,200℃-20 h时效样品的塑性降幅更小。大量非基面位错的滑移运动有助于时效样品协调拉伸应变,从而能够维持样品具有一定的拉伸塑性。