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镁及其合金是最轻的金属结构材料，具有比强度、比刚度高，阻尼性能好，屏蔽电磁干扰能力强，压铸性能优良等优点，近年来已成为汽车、电子行业首选的轻质材料。然而目前工业上应用最广的Mg-Al基合金，在服役温度超过125℃时强度和抗蠕变性能都迅速下降，大大限制了镁合金的应用范围。因此，开发工作温度在150℃以上的高性能、低成本耐热镁合金已成为镁合金研究领域的热点之一。本文以Mg-4Al合金(AM40)为基，通过碱土元素合金化技术，在全面测试各成分合金的室温和高温力学性能及抗蠕变性能的同时，运用光学金相分析(OM)，等离子耦合光谱(ICP)，X射线衍射分析(XRD)，扫描电镜(SEM)，X射线能谱分析(EDX)，透射电镜(TEM)等多种现代分析和测试手段，系统研究了碱土元素Sr和Ca以及合金中Al含量对AM40合金组织结构和力学性能的影响和作用机理。此外，本文还通过热处理、热挤压及不同的铸造方法，研究了碱土镁合金在不同状态下的显微组织和抗蠕变性能。
AM40母合金铸态组织中，除了基体相(α-Mg)外，只有少量分布在晶界的短棒状p-Mg17Al12相。Sr加入母合金后，形成了沿品界分布的片状Al4Sr共晶和三元Mg-Al-Sr相τ。随Sr含量上升，Al4Sr/τ的体积分数比逐渐降低。Ca加入母合金后，形成了沿品界分布的层片Mg2Ca共晶和弥散分布的盘片状Al2Ca。若Sr和Ca一起加入，合金中的中间相主要是分布于晶界的Mg2Ca和τ相，以及分布在晶内的Al2Ca颗粒，此外还有少量(Mg，Al)2Ca和Mg17Sr2相。随着碱土元素加入量的增加，合金中的晶界相逐渐形成沿晶界的网状结构。
在Mg-4Al-2Sr成分基础上，增加Al含量导致组织中τ相体积分数减少，同时，Al4Sr相逐渐转变为较粗大的片状形貌。当Al量到7％时，组织中开始出现少量β-Mg17Al12相。Mg-(4-7)Al-(1-2)Sr-Ca系合金中，Al含量增加致使小层片Mg2Ca和三元τ相体积分数都逐渐减小，同时组织中出现了较粗大不规则的(Mg，Al)2Ca共晶，且它随Al含量的增加而逐渐增多。当Al含量升高至7％时，显微组织中出现细小层片状Al4Sr共晶。
Mg-4Al-2Sr和Mg-4Al-2Sr-1Ca两种合金在360℃热挤压后，显微组织均发生了动态再结晶，其中含Ca的合金中的再结晶品粒尺寸相对更加细小。两种合金中的Al4Sr及Mg2Ca共晶由于脆性较大，挤压后破碎为大量颗粒：而块状τ相只在挤压方向被拉伸变形。
铸态Mg-4Al-2Sr和Mg-4Al-2Sr-1Ca合金在400℃，200h的退火处理后，Al4Sr及Mg2Ca相均发生了球化现象。此外，Laves结构的Cl4-Mg2Ca相还在长时间退火过程中，由于肖克莱位错的同步剪切机制的作用，全部转变为了结构更稳定的Cl5-Al2Ca。
对砂型、水冷模和压铸三种铸造工艺下获得的碱土镁合金研究显示，合金的铸态组织随着凝固速度的增大，被逐步细化，中间相及枝晶尺寸不断减小。几种合金的水冷模铸造和压铸试样组织中的相组成相差不大，而砂型铸造由于冷却速度慢，组织中除了压铸和水冷模铸造中形成的相外还出现了一些新相。在含6％Al的碱土镁合金的三种不同铸态的试样中，压铸态试样在各种温度下均显示了最高的强度和塑性，而砂型铸造试样的力学性能最低。
由于Sr或Ca的加入，AM40母合金的室温及高温屈服强度都得到提高，但延伸率随着合金元素的不断加入而呈下降趋势。Mg-Al-Sr合金系中，含4％Al的合金在室温和高温下都显示了最高的屈服强度。Mg-Al-Ca合金系中，随Ca含量增加，合金的室温、高温抗拉及屈服强度均逐渐提高。同时加入Sr和Ca的合金强度利塑性处于上述两合金系的水平之间。
在Mg-4Al-2Sr合金基础上提高Al含量，合金的室温和高温短时抗拉强度和屈服强度都表现出上升的趋势，而含5％Al的合金在室温和高温下有相对更好的塑性。在Mg-4Al-(1-2)Sr-1Ca的成分基础上提高Al含量，合金的综合力学性能表现出逐渐上升的趋势。热挤压使Mg-4Al-2Sr和Mg-4Al-2Sr-1Ca合金的室温拉伸力学性能大幅提高，但随温度升高挤压态试样拉伸强度的下降幅度也明显高于铸态试样。
在175℃/70MPa和200℃/70MPa条件下的的蠕变实验(100h)表明，碱士元素Sr或Ca的加入能大幅提高Mg-4Al基体合金的抗蠕变性能，而Sr和Ca的复合合金化对改善抗蠕变性能的效果更好。碱土元素提高Mg合金的抗蠕变性能的主要机制是是抑制了蠕变过程中的β非连续析出及形成了沿品界分布的高热稳定性中间相，有效地抑制蠕变过程中的晶界滑移。
在Mg-4Al-2Sr的基础上，提高Al的含量导致了合金抗蠕变性能的逐渐降低。而在含4％Al的Mg-Al-Sr-Ca合金基础上提高Al含量，合金的抗蠕变性能先升高；当Al含量为6％，合金的抗蠕变性能达到最佳状态：进一步增加Al含量，抗蠕变性能呈现下降的趋势。
热挤压和热处理加工都使碱土镁合金的抗蠕变性能大幅度降低，这主要是由于挤压和退火均破坏了沿晶界分布的网状中间相的连续性，使之失去了阻碍蠕变过程中的品界滑移的作用。对砂型、水冷模和压铸三种工艺下获得的碱土镁合金研究显示，随着铸造时凝固速度的增大，试样的高温抗蠕变性能呈现一定的下降趋势。这是因为组织细化使晶界滑移和晶粒转动变得更容易，同时组织细化又容易激活镁合金中柱面和锥面等潜在的非基面滑移系。
根据本文高温蠕变实验结果的分析和观察，碱土耐热镁合金高温回复蠕变过程中晶界滑移对蠕变的贡献要远大于位错攀移及其他位错运动，因此，在本文实验条件下(50-80MPa/150-225℃)，控制碱土镁合金高温蠕变变形的主要机制是晶界滑移机制。