Al-Si-Cu合金是当前工业领域应用最为广泛的铝合金。由于其密度低、比强度高、热膨胀系数低以及耐腐蚀好等优点常作为一类功能材料,被应用于发动机缸体、汽缸盖以及底盘等零部件中,并且近年来对于Al-Si-Cu合金的强韧化的需求日益增多,引发了研究人员的持续关注;同时随着近年来具有仿生结构的功能性铝合金的应用越来越广泛,对此类合金固相连接的需求也随之增多。这使得有关Al-Si-Cu合金的成分优化、变质以及对其实现高质量的固相连接的研究具有重大的实际意义。然而,各种微量元素对亚共晶Al-Si-Cu合金组织凝固行为的影响仍不清楚,并缺乏通过微合金化方法开发的高强韧铸造Al-Si-Cu合金,同时对于Al-Si-Cu合金的组织调控剂也需要进一步研究以实现全面组织调控及细化。另外现今的铸造铝合金强度较低,塑性不足,无法满足搅拌摩擦连接的需求。因此亟待通过成分优化设计以及多重组织同时调控的方法开发出一种高强韧的铸造亚共晶Al-Si-Cu,并对其实现固相连接。本文研究了微量合金元素对亚共晶Al-Si合金液固转变和显微组织的影响规律,探究了Fe BSi非晶晶化后产生的原位纳米晶对多元亚共晶Al-Si合金多重组织调控以及强韧化规律;通过合金成分优化及纳米晶调控处理的协同作用得到高强韧亚共晶铝硅铜合金。并通过搅拌摩擦连接的方式实现了对该高强韧铸造铝合金的固相连接并揭示其强韧化机制;得出以下主要结论:1.揭示出微量Mg、Ti、Sb元素对亚共晶Al-Si-Cu合金组织细化的作用机制及对合金力学性能的影响规律。1)发现在基体合金中添加微量Mg为α-Al形核提供成分过冷实现枝晶细化并能改善共晶硅形貌;当添加0.3 wt.%Mg时,室温和高温下拉伸性能最佳;其中室温屈服、抗拉强度、延伸率及断裂应变达到301 MPa、451MPa、6.7%和8.6%;高温屈服、抗拉强度达到157 MPa及175 MPa,但延伸率及断裂应变降为13.1%及16.3%。2)发现添加Ti后α-Al获得较大的形核过冷度,有利于Al3Ti为合金体系提供更多异质形核核心,实现晶粒细化;同时,添加Ti之后,合金的屈服强度小幅提高而塑性提高到9.1%。3)发现Sb能够为共晶组织形核提供更大过冷度,同时会附着在Si相的周围阻碍其生长,添加Sb有利于Si相形核数目增多及形貌转变;在添加0.1 wt.%Sb后,合金的屈服强度、极限抗拉强度提高到334 MPa、480MPa,延伸率及断裂应变达到6.8%和8.9%。4)揭示出亚共晶Al-Si-Cu合金最佳优化方式为;添加0.3 wt.%Mg和0.1wt.%Sb,其强化机制为:α-Al枝晶显著细化,细晶强化作用显著以及θ’析出相和Mg2Si析出相形成第二相强化作用;同时尺寸细化和形貌球化的共晶硅有效地钉扎晶界并减少裂纹萌生,从而使合金强塑性同时提高。2.揭示出原位纳米晶对亚共晶多元Al-Si-Cu合金中多层次微观组织的细化规律及作用机制;并揭示出纳米晶调控对该合金力学性能影响规律及其强韧化原理。1)发现亚共晶Al-Si-Cu合金经过原位纳米晶调控处理20 min后同时实现了对α-Al、共晶硅以及两种析出相(θ?和β-Mg2Si)的形貌改善以及尺寸细化。细化机制为:Fe2B纳米晶化相与α-Al具有极低的晶格错配度,能够作为α-Al的异质形核核心促进其形核;同时Fe2B及Fe3Si晶化相纳米晶附着在固液界面周围阻共晶相生长,实现枝晶和共晶硅形貌改善及组织细化。2)原位纳米晶调控在一定程度上提高合金强度、极大地改善合金塑性并显著提升合金的静态韧度。揭示原位纳米晶调控处理铝合金的强韧化机制为:调控处理后α-Al尺寸明显减小,细晶强化效果明显;调控处理后使得θ’与β-Mg2Si析出相细化并均匀分布于基体中,对位错的阻碍作用增强,第二相强化作用显著;同时共晶硅形貌改善有效减少了裂纹萌生及应力集中。3.以成分优化及纳米晶调控处理后的亚共晶铝硅铜合金为基体,实现了铸造亚共晶Al-Si-Cu合金的固相连接,优化出最佳连接工艺参数并揭示了固相连接对连接接头微观组织和力学性能的作用机制:1)揭示出搅拌摩擦连接后基体合金中不同连接区域组织变化规律。热影响区晶粒粗化并且共晶硅长大;热机影响区晶粒被拉长,部分晶粒发生动态回复,共晶硅分布趋于一定的方向性;焊核区晶粒发生动态再结晶呈现出规则细小的等轴晶组织,同时细小的共晶硅均匀分布于基体中。另外连接接头处的θ’以及β-Mg2Si析出相发生一定程度的长大,分别增大72.9%及65.4%。2)揭示出搅拌摩连接后拉伸性能变化规律及其作用机制。经过搅拌摩擦连接后接头强塑性降低并在热影响区出现断裂。其原因为,焊接热影响区内晶粒粗化,细晶强化作用降低;同时θ’以及β-Mg2Si析出相尺寸增大数量减少,第二相强化作用减弱。当连接参数为1200 rpm和75 mm/min时,接头达到最佳屈服和极限抗拉强度,280 MPa和400 MPa,达到母材的84.8%以及83.3%;同时延伸率及断裂应变为5.5%和7.6%。3)揭示出搅拌摩连接后接头显微硬度规律及其作用机制。经过搅拌摩擦连接后在连接横截面上显微硬度值呈现“W”状分布,其中热影响区硬度最低,母材区硬度最高,焊核区硬度值低于热机影响区;其原因为:热影响区晶粒最为粗大,细晶强化降低,硬度便最低;母材区的析出相细小而弥散分布对位错阻力最大,硬度最高;焊核区析出相长大,第二相强化的作用降低令其硬度值低于热机影响区。其中连接参数为1200 rpm和75 mm/min时,搅拌摩擦连接后接头区域具有最高显微硬度。