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镁合金具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼性能好和环境友好等优点，成为最具发展潜力的绿色金属材料之一。绝对强度较低、塑性较差是影响镁合金应用的一大瓶颈。晶粒超细化已证明是一种能显著提升材料综合力学性能的重要手段。但高压扭转、等径通道挤压、累积叠轧、多向锻造等剧烈变形工艺，工艺复杂、成本高、在很多情况下不适合大规模工业制备大尺寸镁合金产品。因此，研究和发展传统工艺低成本高性能镁合金材料，对扩大镁合金应用极其重要。
在本工作中，基于含Mn镁合金良好的“固溶强化增塑”和低温成形的特点，结合热力学计算，提出利用常规工艺低温制备超细晶含Mn镁合金材料的基本设计思路：通过成分设计调控合金显微组织，一方面增加晶界和相界面，提升低温变形的再结晶形核点，另一方面利用纳米级第二相的晶界钉扎效应，阻碍晶界迁移，细化晶粒。并根据该思想设计出具有两种不同特点的三元含Mn镁合金体系，即Mg-Mn-Zn体系和Mg-Mn-Al体系。基于传统挤压成形工艺，结合金相显微镜、扫描电镜、能谱、X射线衍射仪、电子背散射衍射技术、透射电子显微镜、拉伸和压缩力学性能试验等手段，系统研究了两种具有代表性的三元含Mn变形镁合金的微观组织与力学性能演变规律，分析了热变形过程中的再结晶机制以及超细组织的形成机理，并初步得出调控含Mn合金显微组织的基本准则，进一步对合金的成分和工艺进行优化，最终获得组织性能良好的低成本含Mn变形镁合金材料，从而验证了本课题合金设计思路的可靠性。课题研究的主要结果如下：
①在Mg-xMn-2Zn体系中（x=0、1.0、1.5、2.0wt%），合金主要的相为有Mg-Zn相和α-Mn相。300℃挤压后，Mg-Mn-Zn合金晶粒随Mn元素的添加显著细化，力学性能大幅提高。Mg-1.5Mn-2.0Zn合金晶粒细化至2.4μm，表现出较好的强度和塑性，其拉伸屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率及拉压屈服不对称性分别为260MPa、302MPa、23.6%和0.85。良好的力学性能归因于挤压后细小的晶粒、大量弥散分布的第二相和相对较弱的织构。
②在Mg-1Mn-xAl合金中，当Al含量为0wt.%，0.3wt.%，0.5wt.%和1.0wt.%时，合金中的相组成分别为α-Mn+Mg、Al8Mn5+α-Mn+Mg、Al8Mn5+Mg、Al8Mn5+Al11Mn4+Mg。250℃挤压后，随着Al元素的添加，晶粒显著细化，其中Mg-1.0Mn-0.5Al合金晶粒较细，平均晶粒尺寸1.9μm。其屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和拉压屈服不对称性分别为248MPa、263MPa、33.4%和0.94。良好的综合力学性能归因于均匀细小的晶粒结构、较弱的织构和细小的第二相颗粒。
③使用不同的热处理工艺，得到了Mg-1.5Mn-2.0Zn合金的四种典型的铸锭，其Mn元素的存在形式也完全不同，分别为固溶、纳米级α-Mn相、固溶和微米级α-Mn相、微米级和纳米级α-Mn相共存四种状态。Mn元素为固溶和微米级α-Mn相在的铸态锭坯经挤压后合金表现出细小的显微组织，平均晶粒尺寸为2.4μm，综合力学性能较佳。
④铸态样品在挤压前Mn元素为固溶和微米级第二相。其中，固溶在基体中的Mn元素，具有良好的“固溶强化增塑”效应，能够有效提升低温变形能力，利于低温变形，提高晶界形核率；变形时，晶界和相界面在热变形过程中产生了不均匀变形，大量晶界和微米级第二相，提高了再结晶程度；在挤压过程中动态析出的第二相有效钉扎再结晶晶界，阻碍晶界迁移，细化了晶粒。
⑤在前述研究基础上，通过改变Mn含量对Mg-Mn-Al合金进行成分优化，提高低温变形能力，增加界面数量和微米级第二相的体积分数，增加变形过程的动态析出行为，提高再结晶形核率和晶界钉扎力，促进了挤压过程中的动态再结晶，有效细化晶粒；通过降低挤压速度优化工艺参数，降低再结晶驱动力，降低晶界迁移速率，提高了纳米级析出相对晶界的钉扎作用。经优化后，获得了平均晶粒尺寸为亚微米级的Mg-xMn-0.5Al合金材料，其中Mg-3.0Mn-0.5Al合金平均晶粒尺寸较小，为0.8μm，断裂伸长率得到大幅提升，其屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和拉压屈服不对称性分别为274MPa、279MPa、48.9%和0.86。高屈服强度归因于超细的晶粒结构、残余位错及纳米级的析出相；高的断裂伸长率是源于低的位错储存速率、较低密度的残余位错及细小的第二相颗粒。
在本工作中，基于含Mn镁合金良好的“固溶强化增塑”和低温成形的特点，结合热力学计算，提出利用常规工艺低温制备超细晶含Mn镁合金材料的基本设计思路：通过成分设计调控合金显微组织，一方面增加晶界和相界面，提升低温变形的再结晶形核点，另一方面利用纳米级第二相的晶界钉扎效应，阻碍晶界迁移，细化晶粒。并根据该思想设计出具有两种不同特点的三元含Mn镁合金体系，即Mg-Mn-Zn体系和Mg-Mn-Al体系。基于传统挤压成形工艺，结合金相显微镜、扫描电镜、能谱、X射线衍射仪、电子背散射衍射技术、透射电子显微镜、拉伸和压缩力学性能试验等手段，系统研究了两种具有代表性的三元含Mn变形镁合金的微观组织与力学性能演变规律，分析了热变形过程中的再结晶机制以及超细组织的形成机理，并初步得出调控含Mn合金显微组织的基本准则，进一步对合金的成分和工艺进行优化，最终获得组织性能良好的低成本含Mn变形镁合金材料，从而验证了本课题合金设计思路的可靠性。课题研究的主要结果如下：
①在Mg-xMn-2Zn体系中（x=0、1.0、1.5、2.0wt%），合金主要的相为有Mg-Zn相和α-Mn相。300℃挤压后，Mg-Mn-Zn合金晶粒随Mn元素的添加显著细化，力学性能大幅提高。Mg-1.5Mn-2.0Zn合金晶粒细化至2.4μm，表现出较好的强度和塑性，其拉伸屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率及拉压屈服不对称性分别为260MPa、302MPa、23.6%和0.85。良好的力学性能归因于挤压后细小的晶粒、大量弥散分布的第二相和相对较弱的织构。
②在Mg-1Mn-xAl合金中，当Al含量为0wt.%，0.3wt.%，0.5wt.%和1.0wt.%时，合金中的相组成分别为α-Mn+Mg、Al8Mn5+α-Mn+Mg、Al8Mn5+Mg、Al8Mn5+Al11Mn4+Mg。250℃挤压后，随着Al元素的添加，晶粒显著细化，其中Mg-1.0Mn-0.5Al合金晶粒较细，平均晶粒尺寸1.9μm。其屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和拉压屈服不对称性分别为248MPa、263MPa、33.4%和0.94。良好的综合力学性能归因于均匀细小的晶粒结构、较弱的织构和细小的第二相颗粒。
③使用不同的热处理工艺，得到了Mg-1.5Mn-2.0Zn合金的四种典型的铸锭，其Mn元素的存在形式也完全不同，分别为固溶、纳米级α-Mn相、固溶和微米级α-Mn相、微米级和纳米级α-Mn相共存四种状态。Mn元素为固溶和微米级α-Mn相在的铸态锭坯经挤压后合金表现出细小的显微组织，平均晶粒尺寸为2.4μm，综合力学性能较佳。
④铸态样品在挤压前Mn元素为固溶和微米级第二相。其中，固溶在基体中的Mn元素，具有良好的“固溶强化增塑”效应，能够有效提升低温变形能力，利于低温变形，提高晶界形核率；变形时，晶界和相界面在热变形过程中产生了不均匀变形，大量晶界和微米级第二相，提高了再结晶程度；在挤压过程中动态析出的第二相有效钉扎再结晶晶界，阻碍晶界迁移，细化了晶粒。
⑤在前述研究基础上，通过改变Mn含量对Mg-Mn-Al合金进行成分优化，提高低温变形能力，增加界面数量和微米级第二相的体积分数，增加变形过程的动态析出行为，提高再结晶形核率和晶界钉扎力，促进了挤压过程中的动态再结晶，有效细化晶粒；通过降低挤压速度优化工艺参数，降低再结晶驱动力，降低晶界迁移速率，提高了纳米级析出相对晶界的钉扎作用。经优化后，获得了平均晶粒尺寸为亚微米级的Mg-xMn-0.5Al合金材料，其中Mg-3.0Mn-0.5Al合金平均晶粒尺寸较小，为0.8μm，断裂伸长率得到大幅提升，其屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和拉压屈服不对称性分别为274MPa、279MPa、48.9%和0.86。高屈服强度归因于超细的晶粒结构、残余位错及纳米级的析出相；高的断裂伸长率是源于低的位错储存速率、较低密度的残余位错及细小的第二相颗粒。