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本文以2024铝合金大型薄壁滚动轴承滚道强化工艺需求为应用背景，采用形变工艺与热处理相结合的方法，设计了12种形变热处理工艺，采用电子背散射衍射、透射电镜、维式硬度、摩擦磨损、圆环开口法等多种手段系统研究了2024铝合金组织演化与性能之间的相关关系，并筛选出了最佳的形变热处理工艺。研究了不同形变量对2024铝合金组织和性能的影响。随着表面形变强化处理的形变量的增加，原始挤压成型棒材表面晶粒细化，经历了由挤压方向长轴亚晶粒到等轴亚晶粒，再到滚压方向长轴亚晶粒的转变。织构由挤压成型产生的<111>纤维织构，演变为<110>纤维织构。位错密度增加，产生大量滑移带。表面硬化层深度随形变量增加略有减小，其中以单边形变量0.8mm的工艺最佳，表面硬度最高达到91MPa，提高了34%。四种形变量下的硬化层深度均可达到2.5mm左右。研究了形变对2024铝合金时效行为的影响。采用形变+固溶+时效（R+T6）、固溶+时效+形变（T6+R）、固溶+形变+时效（Q+R+A）三种不同形变热处理工艺。发现形变可以促进2024铝合金的中间相S′在低温的析出。形变产生的高密度位错为S′的析出提供形核场所，使得S′相细小弥散，数量增加，强化效果显著。其中以Q+R+A工艺强化效果最优，表面硬化层深度1.5mm内的硬度值均达到108MPa，比未进行形变处理时提高20%。形变热处理工艺能够使2024铝合金棒材的摩擦系数减小，磨损率降低，耐磨性提高。其中以Q+R+A工艺对耐磨性的提高幅度最大，磨损率最低，在200g载荷下，摩擦系数为0.378。2024铝合金径向的圆环开口测试表明，表面形变处理会引入大量宏观残余应力，降低材料的尺寸稳定性，经过T6处理后合金尺寸稳定性有所提高，再进行冷热循环处理，合金尺寸稳定性能进一步提高。其中尺寸稳定性能较优的工艺为Q+R+A+TCC工艺。根据本文的研究结果，表面强化效果最佳的形变热处理工艺为Q+R+A+TCC工艺。