镁合金具有高的比强度和弹性模量、良好的机加工性以及绿色节能的特点,其被广范应用于汽车行业、电子电气行业及航空航天等领域,然而作为结构材料镁合金的屈服强度以及断裂韧性K_IC仍有待提高。本论文基于高强度高韧性稀土镁合金的研究现状,以Mg-15Gd-1Zn-0.3Zr（GZ151K,wt.%）合金为研究对象,采用半连续铸造、固溶、时效热处理、差温挤压（500℃（料温）×320℃（模温）、500℃×370℃、500℃×420℃）以及冷轧工艺来制备不同状态的GZ151K合金。借助OM、XRD、SEM、TEM组织和相分析方法及PS、IPP等金相统计分析软件,系统研究了此合金在铸态（F）、固溶态（T4）、时效态（T6）、固溶+挤压态（AE）、固溶+挤压+时效（T5）、固溶+挤压+冷轧+时效态（T10）)等不同工艺状态下的显微组织演化规律。通过硬度、室温拉伸和断裂韧性实验,研究了不同工艺状态对GZ151K合金的力学性能及断裂行为的影响,并且拟合了相含量、晶粒大小等组织参量,拉伸性能值和断裂韧性指标K_IC间的量化关系以指导生产工艺制备高强度和韧性的稀土镁合金。研究结果表明GZ151K合金的T4态组织主要由α-Mg基体,晶界处共晶相（Mg,Zn）₃Gd、少量富Gd相、α-Zr质点和少量的棒状Zn-Zr化合物组成。T4态GZ151K合金经过差温热挤压后,合金发生动态再结晶,形成大晶粒与动态再结晶小晶粒共存的双峰组织。热挤压中会形成层片状长周期堆垛有序（Long period stacking order structure,简称LPSO）结构,主要分布于大晶粒内;挤压变形中LPSO结构发生显著扭折现象,大晶粒内的层片状14H-LPSO可以阻碍动态再结晶发生,提高热挤压模具温度,或者热挤压后进行时效、冷轧等处理会导致大晶粒内层片状LPSO溶解,再结晶程度进一步完善,双峰组织中大晶粒比例减少。通过SEM断口分析,GZ151K合金的断裂方式为解离断裂和沿晶断裂,固溶后残留的（Mg,Zn）₃Gd共晶相以及挤压中产生的动态析出相（Mg,Zn）₃Gd为硬脆相,是主要的裂纹源。通过室温拉伸力学性能以及断裂韧性性能测试,1-T10态（500℃×12h固溶+500℃×320℃差温挤压+5.5%冷轧+200℃×16h时效）GZ151K合金具有最高的抗拉强度和屈服强度,分别为488MPa,430MPa,延伸率为6%,但其断裂韧性K_IC值较小为10.52 MPa?m^1/2。3-AE态（500℃×12h固溶+500℃×420℃差温挤压）GZ151K合金K_IC值最大,为21.24MPa?m^1/2,然而其抗拉强度和屈服强度最低,分别为:317MPa,223MPa,延伸率为11%。随着挤压后时效及冷轧工艺的进行,由于引入了细晶强化、织构强化、LPSO与时效相复合强化及加工硬化的效应,合金屈服强度提高,抵抗塑性变形能力强;但同时随着脆性析出相增多、时效相析出,合金延伸率及断裂韧性K_IC下降,抵抗裂纹扩展能力弱。在挤压后同一热处理工艺下,当挤压模具温度上升,LPSO结构强韧相数量减少,不均匀组织减少,屈服强度及延伸率下降,K_IC值上升。对拉伸性能、组织特征量及K_IC值量化拟合发现,K_IC值主要与硬化指数n、弹性模量E、第二相含量θ_2nd及再结晶小晶粒尺寸d_DRXed有关。