镁合金是可实现规模化生产和应用的最轻(密度最小)的金属结构材料。镁合金的比强度和比刚度高，切削加工性能和阻尼减震性能良好的，因此是许多产品实现轻量化的理想材料。近年来，在低碳经济的驱动下，汽车产品的节能减排成为社会关注的焦点，镁合金也因此成为现代汽车产品的重要材料之一。材料学界围绕汽车用镁合金材料开展了大量的研发工作，其中目标用于传动系统的耐热镁合金是重点研究领域。然而目前大量的工作都是从实用的角度出发，改进现有的合金或者开发新的合金，在镁合金蠕变机制的理论上缺乏深入的探讨，所以迄今为止没有实现重大的突破。本文选择Mg-2Nd和AJC421分别作为不含Al和含Al两类镁合金的典型合金，从宏观和微观两方面着手，系统研究了纯镁和这两种合金在各种试验条件下的蠕变过程，总结了镁合金在高温蠕变过程中蠕变速率与温度、应力以及材料本身性质的关系，并对蠕变过程的显微组织变化规律进行了观察分析。在获得完整的试验结果基础上，对纯镁和两类典型耐热镁合金的蠕变机理进行了探讨。　　 纯镁的蠕变抗力很低，随着温度或应劝的提高，稳态蠕变速率和蠕变应变量显著增加，抗蠕变性能降低。纯镁的蠕变断裂为沿品断裂。在低温高应力的试验条件下，发生断裂的试样中的蠕变裂纹为楔形裂纹，位于三叉晶界处，并沿品界扩展；而在高温低应力的试验条件下发生断裂的试样中的蠕变裂纹为分散在晶界上的O型裂纹。晶粒尺寸对镁和镁合金稳态蠕变速率有很大的影响。在相同的蠕变实验条件下，随着晶粒尺寸的增大，稳态蠕变速率减小，抗蠕变性能提高。然而当晶粒尺寸超过一定程度时，稳态蠕变速率不再随品粒尺寸增大而发生显著变化；　　 在纯镁中加入2wt．％Nd的N2合金呈现良好的抗蠕变性能。与纯镁相比，N2合金抗蠕变性能的改善是Nd的同溶强化、界面强化和沉淀硬化等强化机制的共同作用的结果。铸态合金N2合金经T6处理(固溶+时效)后，稳态蠕变速率略有增加。铸态N2合金挤压后，由于沿枝晶界分布的第二相组织受到破坏，稳态蠕变速率上升更明显。N2铸态合金在蠕变过程中动态析出大量细小弥散的第二相。蠕变初期的析出相是呈长带状的β’-Mg3Nd相和β-Mg12Nd(平衡相)。随着蠕变的进行，显微组织中的析出相主要是盘状的β-Mg12Nd相。析出相在蠕变过程中逐渐长大，因而对位错运动的限制作用也逐渐减弱，这是N2合金蠕变后期蠕变速率上升的一个主要原因。蠕变孔洞在第二相颗粒周围产生，随后裂纹萌生并沿第二相与基体的界面扩展，并最终导致蠕变断裂的发生。　　 铸态AJC421合金的显微组织由α-Mg和沿枝晶界呈连续网状分布的中间相组成，具有非常好的抗蠕变性能。然而合金经过400℃，50h的退火处理后，显微组织中中间相发生球化，合金的抗蠕变性能大幅度下降。175℃/70MPa下的稳态蠕变速率比铸态试样高三个数量级。铸态试样热挤压加工过程中，中间相的连续网状组织被破坏，致使挤压后合金的抗蠕变性能比退火态试样更低。　　 对蠕变过程进行的TEM观察分析发现，铸态纯镁、N2和AJC421合金在蠕变第一阶段都表现为大量具有伯氏矢量b=(1/3)<1120>的位错被激活并沿基面滑移，镁合金中基面滑移是位错在较低温度下的主要运动方式。纯镁和镁合金在蠕变过程中都有孪晶产生。　　 本文在大量试验结果基础上，通过计算获得了纯镁、N2和AJC421合金在不同温度和应力条件下的应力指数和蠕变激活能。根据经典物理冶金蠕变理论的应力指数和激活能判据，本文推断了纯镁、N2和AJC421合金的蠕变控制机制。然而，从两种判据所得到的结论并不一致。这显示了现有的蠕变理论和模型并不能很好地解释镁合金的蠕变行为。　　 由于纯镁、N2和AJC421铸态合金的基体相都是α-Mg，因此蠕变机制本质上是相同的。然而由于不同合金的显微组织的不同，产生硬化和软化的主要因素也不相同，因此在蠕变行为上表现出一定的差异。本文的实验研究结果表明，沿枝晶界分布的第二相对于镁合金合金的蠕变行为有重要的影响，但已有的蠕变模型大都是假设蠕变变形发生在晶内，对来自第二相的对蠕变的影响因素缺乏充分考虑。此外，界面(包括晶界和相界)在镁合金的蠕变过程中起重要的作用，这主要体现在蠕变过程中界面位错发生的交互作用，原子和空位沿界面的扩散，以及在外加应力下界面自身的运动。　　 本文认为，合金的稳态蠕变是“硬化”和“软化”过程协调和平衡的结果。硬化来自为位错的增殖，交割，积塞和缠结，而软化则是由于位错的攀移和位错与界面的交互作用。当“软化”与“硬化”过程达到动态平衡时，蠕变行为在宏观上表现为稳态蠕变。铸态纯镁试样在75-200℃、10-50MPa下的蠕变过程的硬化主要是位错间的交互作用和位错在晶界的塞积，软化则是位错的攀移，和蠕变过程中晶界和位错的交互作用。由于纯镁中的强化机制很弱，所以纯镁呈现很低的抗蠕变性能。N2铸态合金在150-250℃、30-110MPa下的稳态蠕变的硬化是沉淀强化、固溶强化和晶界强化的共同作用，而软化则主要是受位错攀移的控制。AJC421合金在150-250℃、30-90MPa下的稳态蠕变的硬化主要来自网状分布的第二相对位错运动和界面滑动的阻碍作用，而软化则土要是相界和位错的交互作用所致。在较高的温度(>200-225℃)条件下，纯镁和镁合金的蠕变主要受交滑移控制。　　 现有的蠕变的模型大都是基于蠕变过程中的位错运动，认为蠕变受某单一机制(如位错攀移、交滑移)控制，缺乏考虑多种机制的协同作用。本文的结果显示，蠕变过程是一个受温度、应力、组织结构等诸多因素影响的复杂的过程，蠕变过程受位错运动(滑移、攀移、交滑移等)、界面运动(滑移、迁移、扩散等)和孪生等多重机制共同作用，总的蠕变应变可以表达为晶粒(亚晶、枝晶)内的变形量(εg)和界面(晶界、相界、孪晶界)变形量(εb)的总和。