镁合金具有密度低、比强度高、抗阻尼性能好、易回收等优势,是汽车、航天航空、电子信息等领域极具潜力的轻质结构材料,然而,镁合金的绝对强度低、塑性差,限制了其广泛使用。本文以Mg-Gd-Y-(Zn)-Zr合金为研究对象,通过调节合金成分与挤压工艺参数,实现了多模层状组织调控,研究了多模组织对合金变形与断裂行为的影响,探究Mg-Gd-Y-(Zn)-Zr合金的强韧化机制。采用不同挤压比对均匀化态Mg-Gd-Y-Zr合金进行挤压成型,构建了典型的双模组织:粗大的形变晶粒与细小的再结晶晶粒相间层状分布。随着挤压比增大,再结晶比例增加,形变晶粒的长径比逐渐增大,再结晶晶粒尺寸基本不变。多种强化机制共同作用,合金的强度随挤压比增大先升高后降低,延伸率单调递增,建立了“挤压工艺-微观组织-力学性能”之间的关系。基于数字图像关联技术(DIC)研究了合金的应变分布及演化过程,强基面织构的形变晶粒主要以柱面滑移为主,在塑性变形过程中易产生应变局域化;随机取向的细小再结晶晶粒主要变形机制为位错的基面滑移,晶粒之间更易协调变形,不易产生明显的应变局域化,形变晶粒与再结晶晶粒相间分布,可有效缓解应变局域化,提高材料整体塑性变形能力。基于断层扫描技术(CT)研究了合金的断裂行为,形变晶粒与再结晶晶粒相间分布的近层状结构,一定程度上缓解了微裂纹扩展,避免过早失稳断裂。添加Zn元素后,Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中形成了长周期有序堆垛(LPSO)相。挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金形成了由块状LPSO相、细小再结晶晶粒与内部析出大量薄片状LPSO相/γ′相的形变晶粒构成的多模组织。LPSO相/γ′相有效抑制了动态再结晶,减少了动态析出相数量,同时细化了再结晶晶粒尺寸,有效提高合金的强度,并保持较高的延伸率,表现出优异的综合力学性能。LPSO相与镁基体的界面处容易产生应变集中,但周围的再结晶晶粒区域能够有效释放应力,并且LPSO相尺寸较小且分散分布,整个区域塑性变形相对均匀;LPSO相的弹性模量比较高,与形变晶粒之间的横向应变很难协调,界面处容易产生微裂纹,再结晶晶粒区域有效阻碍了裂纹扩展,改善了合金的延伸率。挤压态Mg-Gd-Y-(Zn)-Zr合金在200℃表现出明显的时效硬化效应,峰时效状态下析出了大量的亚稳态β′相,显著提高了合金的强度,延伸率略有下降。棱柱面β′相有效阻碍基面滑移,再结晶晶粒区域的应变协调能力下降,导致应变局域化,但形变晶粒与再结晶晶粒构成的层状结构有效的缓解应变局域化,改善时效合金的塑性。