轻质高强镁基材料被广泛应用于急需减重减振的汽车、航空、航天等领域中,原位自生高体积Mg₂Si增强的镁基复合材料是研究方向之一。本论文以原位自生Mg₂Si_p/Mg-Zn复合材料为研究对象,以提高复合材料的力学及耐磨耐蚀性能为目标,通过加入稀土元素Y或碱土元素Sr并利用搅拌摩擦加工（FSP）细化复合材料中的Mg₂Si增强相,制备Mg₂Si相细小均匀且性能优异的复合材料,采用OM、EDS、XRD、SEM、电化学工作站以及高温摩擦磨损试验机等多种现代分析测试手段,并结合VASP第一性原理计算,探讨加入Y或Sr元素对复合材料中初生树枝和共晶汉字状转变为细小颗粒增强相的影响规律,揭示添加元素对Mg₂Si晶体生长过程的作用机理,研究Sr或Y元素及FSP对自生复合材料的力学性能以及耐磨耐蚀性能的影响规律,揭示Sr或Y元素对复合材料性能的作用机理、搅拌摩擦加工细化分散机理和材料的耐磨损机制。适量Y和Sr均能较大幅度改善Mg-Zn-Si合金中的初生和共晶Mg₂Si相,初生相Mg₂Si晶粒的平均尺寸随着Y或Sr元素含量的增加而先降低后增加,粗大的初生Mg₂Si树枝晶逐渐转变为尺寸为30um左右的八面体晶或六面体晶,共晶汉字状Mg₂Si变为短小的棒状,最佳Y和Sr的添加量均为0.5%。当Y或Sr含量超过0.5%时,会形成YSi₂颗粒或板条状的SrMgSi新相,降低其在Mg₂Si生长表面的吸附作用。Y或Sr原子均优先吸附在Mg₂Si晶体的（1 0 0）晶面和（1 1 1）晶面上,降低了体系总能量,降低Mg₂Si晶体（1 0 0）晶面和（1 1 1）晶面生长速度,使得Mg₂Si晶体尺寸减小。Y原子在Mg₂Si晶体的（1 0 0）晶面和（1 1 1）晶面吸附能相近,对<100>和<111>晶向的生长速率阻碍程度一致,导致Mg₂Si晶体形貌变化不大;Sr原子在Mg₂Si晶体（10 0）晶面的吸附能大于其在（1 1 1）晶面的吸附能,对Mg₂Si晶体（1 0 0）晶面上生长速度的阻碍要大于其对（1 1 1）晶面上生长速度的阻碍程度,导致复合材料中Mg₂Si晶体上<100>对<111>生长速率比值变小,Mg₂Si晶体形貌由粗大树枝晶转变为缺顶八面体、十四面体或六面体;随着Sr元素含量的增加,Sr原子在Mg₂Si的晶面上吸附越多,对<100>晶向的生长速度阻碍越大,<100>对<111>生长速率的比值越小,Mg₂Si晶体形貌最终转变为六面体晶。适量Y或Sr可有效地改善Mg₂Si_p/Mg-Zn-Si复合材料的室温、高温力学性能及耐蚀性能。随着添加元素含量的增加,复合材料的室温及高温环境下抗拉强度、延伸率及腐蚀失重速率均逐渐增加后略有降低。当Y或Sr含量为0.5%时,材料的室温及高温环境下抗拉强度及延伸率最大,腐蚀失重速率以及腐蚀电流密度最小,此时材料的力学性能及耐蚀性最佳。添加0.5%Y后材料的室温抗拉强度与延伸率较基体合金分别提高50.5%和67.8%,腐蚀失重速率减小63.6%,腐蚀电流密度下降约1个数量级;添加0.5%Sr后材料的抗拉强度及延伸率分别提高53.3%和55.2%,腐蚀失重速率降低47.7%,腐蚀电流密度降低约3个数量级。复合材料的性能改善机理主要是由于Y或Sr添加后初生及共晶Mg₂Si增强相变小,且分布均匀。搅拌摩擦加工可有效破碎细化含Y或Sr复合材料中的Mg₂Si增强相,并使增强相分布更均匀弥散。搅拌头的前进速度为30mm/min时,随着搅拌摩擦加工的旋转速度的增加,Mg₂Si增强相的平均尺寸先逐渐减小,后逐渐增加;搅拌摩擦加工的旋转速度值一定时,随着前进速度的增加,Mg₂Si增强相的平均尺寸逐渐减小后逐渐增加;当旋转速度为900r/min,前进速度为30mm/min时,Mg₂Si增强相的平均尺寸最小,可达到数微米,此时分布也最弥散,主要是归于在搅拌摩擦加工过程中的产热与机械力的双重作用下Mg₂Si颗粒及材料组织之间强烈的剪切作用。搅拌摩擦加工可显著提升含Y或Sr复合材料的力学性能,其变化规律与Mg₂Si增强体的尺寸变化规律一致。搅拌头旋转速度为900r/min、前进速度为30mm/min的工艺条件下,复合材料的抗拉强度及延伸率最大,力学性能最佳。含Y复合材料经FSP后抗拉强度与延伸率较FSP前分别提升43.7%与35.4%,含Sr复合材料经FSP后分别提升46.6%与57.7%;主要是由于复合材料在搅拌摩擦加工过程中产热及机械力作用充足,有效细化分散材料组织,尤其是Mg₂Si增强相的细化分散效果最佳;当旋转速度过低或前进速度过高时,产热不够及机械力作用不充足,Mg₂Si增强相受到的剪切力不够,尚不能被完全碎化,导致力学性能降低。当旋转速度过快或前进速度较慢时,此时产生的热量与机械力过多,Mg₂Si增强相在流场下转动而不能被破碎,材料组织在拉伸过程中产生裂纹并延伸发生断裂。搅拌摩擦加工能够有效改善复合材料的耐腐蚀性和室温及高温耐磨性,其变化规律与Mg₂Si增强体的尺寸变化规律几乎一致。当搅拌头的旋转速度为900r/min,前进速度为30mm/min时,含Y或Sr复合材料的腐蚀失重速率最低,其腐蚀失重速率较FSP前分别降低13.5%与7.9%,耐蚀性能最佳;此时材料的磨损率也最低,其耐磨性也最佳。搅拌摩擦加工后复合材料室温下的磨损机制主要以磨粒磨损为主,同时还观察到黏着磨损、疲劳磨损和氧化磨损;复合材料高温下的磨损机制主要以氧化磨损为主,同时还存在磨粒、剥层、疲劳和黏着磨损。高温环境下粗大的增强相Mg₂Si颗粒发生剥落后对磨损表面产生强烈的刮擦作用,并未形成有效的长期的氧化物保护层;而细小均匀分布的Mg₂Si颗粒高温下发生剥落,载荷的压力作用使得其被压入到磨损表面的氧化物层中或跟氧化物层共同粘附在摩擦钢球表面,表面形成了光滑的氧化物层,降低了磨损过程中的刮擦作用。