镁合金由于其密度低和比强度高等优点,在交通运输、航空航天及电子等领域具有广阔的应用前景。传统镁合金的力学性能较差,而高强度的镁-稀土合金的成本较高,无法大规模民用;如何低成本地制备出高强韧兼备的变形镁合金材料,是本领域的瓶颈问题。本文基于Mg-Ca系合金的成分设计及挤压工艺优化,得到以下主要成果:(1)低合金含量的Mg-1.0 wt.%Ca二元合金经挤压变形后表现出极高的强度,其中X1-380合金的抗拉强度为449 MPa,延伸率为4.1%。组织分析表明,Ca元素可以有效诱导高密度位错,并产生显著的晶粒细化效果。高密度的位错、较强的丝织构、亚晶片层结构、细小的动态再结晶晶粒以及弥散的Mg2Ca纳米相均有利于合金强度的提高。此外,弥散分布的Mg2Ca纳米相能阻碍位错的回复,并对晶界产生有效的钉扎作用,抑制再结晶晶粒的长大,从而使该合金具备较高的热稳定性。(2)在Mg-Ca二元合金的基础上添加了少量的Mn、Al,制备了Mg-Ca-Al(XM10)合金及Mg-Ca-Mn(XA11)合金,这两种合金具有较高的强度(抗拉强度>400 MPa)。组织分析表明,Mn、Al元素均能促进动态再结晶的发生,弱化形变织构,降低位错密度,因此合金强度有所下降。对于XM10合金,弥散分布的Mg2Ca相及纳米Mn单质颗粒能够显著阻碍动态再结晶晶粒的长大,从而获得了超细晶粒组织;此外,它们还能够有效地抑制退火过程中静态再结晶晶粒的长大,使XM10合金具备极高的热稳定性。(3)基于多元合金化的策略,同时添加少量的Ca、Al、Zn、Mn元素制备出了高强度的 Mg-1.0Ca-1.0Al-0.3Zn-0.1Mn(wt.%)合金,其中XAZM1100-300合金的抗拉强度为444 MPa,延伸率为10.7%,综合力学性能优良。组织分析表明,该体系合金的力学性能与动态再结晶的程度有关。由于Ca、Al等元素的添加,该体系合金在本征上容易启动非基面的可动滑移,但当挤压温度较低时,残余位错密度高,新产生的可动位错在残余位错的阻碍作用下容易发生分解,且为“连锁”反应,造成不可动位错的塞积,急剧恶化合金的塑性;当挤压温度较高时,残余位错密度低,同时形成了高密度的亚晶片层,这些均有利于可动位错的运动和增殖,从而有效保证了合金的强塑性。