本研究以6061铝合金（Al-Mg-Si-Cu）为对象,采用大应变冷轧工艺制备出纳米结构6061铝合金,通过系统调控时效热处理工艺获得了高强塑性纳米结构铝合金。采用透射电子显微镜、三维原子探针、显微硬度和拉伸测试等方法对合金的微观组织与力学性能进行系统研究,揭示了形变和热处理工艺对合金微观组织与力学性能的影响规律,定量评价了细晶强化、位错强化、固溶强化以及团簇偏聚强化等多种强化要素的贡献,探索了开发高性能纳米结构铝合金的新思路和新方法。研究所获得的主要结果如下:（1）固溶态6061铝合金经90%大应变轧制处理后,原始等轴晶粒结构转变为层状纳米结构组织,平均界面间距达到130 nm,且层状组织内部存在高密度位错结构。纳米结构6061铝合金的屈服强度为393 MPa,延伸率为4.6%,相比于原始峰值时效态样品屈服强度增加了100 MPa,但合金的塑性大幅降低。（2）纳米结构6061铝合金经100-200℃系列温度时效处理后强度和塑性实现了同步增强,最佳强塑积为3895 MPa·%。其中,在120℃和150℃进行1 h时效后获得样品的屈服强度分别为413 MPa和404 MPa,延伸率分别为6.9%和9.1%。随着时效温度增加层状组织的平均界面间距逐步增加,位错密度显著下降,在120℃和150℃时效1 h状态的样品中可观察到位错和晶界等缺陷处溶质原子的偏聚现象。理论分析表明,细晶强化和团簇强化对合金的强度贡献最大,位错强化次之。（3）与固溶态材料相比,纳米结构6061铝合金时效硬化速率更快,到达峰时效的时间缩短且强度更高。其中,经100℃、36 h时效后纳米结构铝合金的屈服强度为440 MPa,延伸率为10.2%。与原始冷轧态样品相比,屈服强度提高了约33MPa,延伸率是时效前的2.2倍。在纳米结构峰值时效态样品中,细晶强化、团簇强化和析出强化是合金中主要的强化因素。