搅拌摩擦焊接（FSW）作为一种新型固相焊接技术,在关键复杂高性能高强铝合金构件制造中具有显著优势。然而,目前研究对接头梯度组织诱导的非均匀变形特征及其对接头力学性能的影响缺乏深入认识,同时很少关注接头多因素复杂载荷下的力学响应行为。这些将极大地限制FSW在国内航空航天、高速列车等领域的广泛应用,也将严重制约FSW接头设计标准与性能评定标准的建立和完善。因此,本研究以3.175mm厚AA2024-T3铝合金的FSW接头为研究对象,采用数值计算与试验方法系统研究了垫板热耗散对接头温度、组织与性能的影响,分析了接头梯度组织诱导的非均匀变形特征与接头力学性能的尺寸效应,研究了接头拉伸性能的各向异性行为。研究成果为接头质量控制、接头性能评价方法完善、FSW结构设计优化提供理论指导与数据支撑。本文主要结论如下:计算结果表明,垫板热耗散对接头温度场分布具有显著影响,随着垫板导热能力的增加,接头高温区在195oC以上的停留时间呈现出线性下降趋势,冷却速率显著增加,但到达峰值温度的时间几乎不变。试验结果证实导热性能极差或优异的材料不宜作为FSW的垫板,由于其不合适的温度分布,使得接头出现缺陷,显著降低了接头力学性能。本研究设计的复合垫板不仅有效地避免了接头热影响区内GPB区的溶解和Al2CuMg相的粗化,促进了焊核区的GPB区的再析出,同时也减小了接头软化区宽度。采用复合垫板时接头焊核区的平均晶粒尺寸小于1.27μm,抗拉强度可达442MPa（为母材的93.5%）,延伸率也高达16%（为母材的72.7%）,高于传统钢垫板下的423MPa与10.6%。通过单轴拉伸与数字图像相关（DIC）技术阐明了接头不均匀塑性变形行为,建立了接头局部-全局应力应变响应的相关性模型。DIC数据表明,拉伸过程中接头的塑性变形主要集中在焊缝中心约10mm宽的低硬度区,该区的平均断裂应变可达13%,明显高于接头的全局断裂应变（8.2%）,但其屈服应力仅为291MPa,低于全局屈服应力305MPa。此外,接头局部的屈服应力存在明显差异,其分布为双W形,最大值为325MPa,最低值仅为270MPa。基于理论与试验研究发现并揭示了接头拉伸力学性能的尺寸效应及其诱因。拉伸试样尺寸对接头的抗拉强度影响甚微,但对接头的屈服应力与延伸率影响较大。随着拉伸试样标距长度从12.5mm增加到25mm,接头的屈服应力逐渐增加,延伸率逐渐降低,但进一步增加标距长度,屈服应力与延伸率几乎保持不变。拉伸试样标距长度上焊缝区所占比例的变化是导致接头尺寸效应的主要因素。为了消除接头力学性能的尺寸效应,准确反应接头的全局力学性能,拉伸试样的标距长度应不小于轴肩直径的2.5倍（本研究为25mm）。通过不同角度下的拉伸试验,揭示了接头力学性能的各向异性屈服和断裂行为。随着加载角度的增加,接头的屈服强度、抗拉强度、延伸率均均先降低后增加。接头的抗拉强度与延伸率总是在60?或75?加载角度下最低,而非传统的90?加载下。屈服应力也总是在45?加载角度下最低。此外,分析得出Yld2000-2d屈服准则较Hill48与Yld89准则具有更好的精度,能更好的描述FSW接头的各向异性行为,从而获得了表征接头各向异性的屈服准则。旋转速度显著影响了接头的力学性能,使得接头的初始屈服面形状存在明显差异。屈服面的y截距值随着转速的增加呈现出了单调递减的变化趋势。