细晶强化是镁合金重要的强化方法之一。传统的细晶强化主要通过晶界分割晶粒来实现，然而利用孪晶分割晶粒也可以有效地强化金属。与高角晶界相比，共格的孪晶界面具有更好的热稳定性，因此有利于在高温环境中服役。然而通过预变形产生一次孪晶组织只能实现镁合金沿特定方向的强化，同时造成其他特定加载方向强度显著降低。本文以具有强烈基面织构的AZ31镁合金热轧厚板为研究对象，采用沿TD和RD方向室温交叉压缩预变形的方法，制备了含有{10-12}一次孪晶和{10-12}-{10-12}二次孪晶的复合孪晶结构，实现材料的三维强化。系统研究了预变形参数对复合孪晶结构组织尺寸、取向和体积分数的影响，不同复合孪晶结构对力学性能和拉伸压缩屈服不对称性的影响。通过原位EBSD分析了含有复合孪晶结构试样沿不同方向加载时的变形机制，并建立了复合孪晶结构设计原则和强化模型。通过本课题的研究得出了如下结果：(1)与单一孪晶结构相比，复合孪晶组织能有效的细化晶粒，复合孪晶中一次孪晶、二次孪晶和残余基体与沿TD和RD方向的应变量密切相关，沿RD方向应变量增加，一次孪晶和二次孪晶的体积分数显著增加，残余基体体积分数显著降低，孪晶片层宽度尺寸有一定长大，当沿RD方向应变量超过7%以后，很多晶粒内部几乎发生完全孪生变形。(2)与单一孪晶结构相比，复合孪晶结构，可以更为有效地提高沿RD、TD和ND三个方向屈服强度，且几乎不降低材料的塑性。在合适的预应变条件下，沿RD、TD和ND三个方向屈服强度均可以显著高于原始试样。复合孪晶结构也有助于改进三个方向拉伸压缩屈服不对称性，三个方向的拉伸压缩屈服不对称性与预变形参数有密切关系。(3)沿RD、TD和ND三个方向压缩时，复合孪晶结构中存在多种变形机制，包括：退孪生、孪晶形核和孪晶长大。在特定的加载条件下，二次孪晶也会发生退孪生，形成一次孪晶。在特定的加载条件下，二次孪晶内部会再次发生拉伸孪生，形成三次孪晶。当一次孪晶或二次孪晶的基体消失时，无论沿哪个方向加载均不再发生退孪生。(4)复合孪晶结构可以有效地减少退孪生变形的比重，从而提高材料的强度；含有复合孪晶结构试样的屈服强度由发生退孪生变形组织的体积分数和发生孪生变形组织的体积分数共同决定，减少材料中发生退孪生变形组织的体积分数可以进一步提高强度。(5)对含有孪晶组织的样品进行适当的退火处理，如果退火处理未导致孪晶界面消失，相应的退火处理会产生退火强化行为。微观结构分析表明，退火过程中溶质原子会偏聚到孪晶界面，钉扎孪晶界面移动，从而提高退孪生变形的启动应力。