由于铸造Al-Si合金具有比强度高、密度小、热膨胀系数低、成型流动性好等优点,过去几十年在发动机活塞领域得到了广泛应用。活塞在不同工作阶段会面临不同的机械载荷和热载荷,包括高频低应力载荷,低频高应力载荷以及热机械载荷。在发动机启动-停机阶段,活塞顶部所面临的最高温度和应力可超过400℃和20 MPa,在活塞顶和群部之间就会产生很大的温度梯度。本文以活塞服役环境和共晶Al-Si活塞合金为切入点,分析了该合金在不同载荷形式下（高温拉伸、等温疲劳和热机械疲劳）裂纹萌生与扩展行为,以及微观组织对力学性能的影响。1)拉伸损伤和抗拉强度随温度的转变机制。合金中的初生相和纳米沉淀相对Al-Si合金强度变化具有重要影响。基于不同温度下拉伸性能和原位拉伸损伤观察,当温度为25℃-280℃阶段,此时合金强度主要受脆性初生Si相影响;根据原位实验结果和弹性场模型,当合金中局部应力达到约430MPa时,就会引起该内部初生Si相开裂并导快速脆性断裂。在该温度范围内未满足Considere准则h=K也表明局部强度不足（如初生Si）。当温度为280℃-425℃阶段时,基体强度不足成为该合金强度变化的主要因素。由于高温下热激活过程的加剧,此时变形以基体塑性流动和动态回复过程为主,其中θ相的粗化是基体强度降低的重要原因,初生相损伤则呈现为界面脱粘。2)高温下低周疲劳开裂机制和寿命演化关系。对于低周疲劳微观损伤行为,随着温度的升高,位错滑移模式由平面滑移转变为交滑移;在280℃下疲劳裂纹主要由位错塞积引起的初生相开裂产生,在425℃下则由空位积累引起相/基体界面脱粘产生疲劳裂纹。引入一种滞回能的疲劳寿命预测模型（Nf=（Wa/W0）β）来评价不同温度低周循环损伤和寿命。疲劳模型参数变化（W0和β）的根源是由于微观损伤机制的转变。随着温度的升高（425℃）,塑性变形的均匀性和晶粒细化都提高了裂纹扩展的阻力,同时对微裂纹缺陷的承受能力也增加（W0增加）。另一方面,随着温度的升高,由于析出相不稳定性和材料损伤敏感性增加,对应疲劳损伤和裂纹萌生的也会相应增加（β降低）。在疲劳寿命演化方面,随着温度的增加,疲劳寿命先增加后降低;另外应变速率对寿命的影响,在低温下（280℃）,降低应变速率会因热回复过程而降低初生相开裂,提高疲劳寿命;但高温下（425℃）,降低应变速率会加剧空位累积引起的相脱粘,而降低疲劳寿命。3)循环温度范围和约束系数对热机械疲劳的影响。因强度和模量随温度升高而显著降低,热机械疲劳循环滞回环呈现非对称特征,考虑到约束系数和相位角的影响,同相位（IP-TMF,η>0）平均应力为压应力,而反相位（OP-TMF,η<0）则为拉应力。对于120～350℃循环,疲劳裂纹主要起源于断裂的初生Si;而120～425℃循环,疲劳裂纹从初生Si与基体的边界处形核。不同相位对120～425℃热机械疲劳损伤行为的影响:同相IP-TMF（η>0）,损伤以初生相与基体的蠕变损伤相开裂为主,呈现高温损伤特征;而对于反相OP-TMF的循环行为（η<0）,在低温循环拉应力作用下,容易引起初生相断裂并促进疲劳裂纹萌生和扩展,呈现低温损伤特征。由于热机械疲劳过程中显著的初生相损伤,氧化对该合金的开裂行为和疲劳寿命影响不大。综合考虑疲劳和蠕变耦合作用,提出了一种应变速率修正的热机械疲劳寿命预测模型,建立了等温低周疲劳和热机械疲劳寿命之间的关联。并结合服役工况,在传统的能量模型基础上,建立了约束条件下的热机械疲劳寿命预测模型,实现了从材料到构件的服役疲劳寿命预测。4)不同载荷条件下损伤机制分析并通过超声处理实现合金优化。基于原位拉伸观察,当拉伸应力接近抗拉强度时,位于表面处的初生Si会优先开裂并沿着金属间化合物和共晶Si迅速扩展。当处于疲劳载荷下,疲劳裂纹会优先从疏松空洞处产生,这些疏松空洞通常伴随着脆性金属间化合物（Al3Cu4Ni）,后续疲劳裂纹会沿着该相扩展。对于高温应变疲劳损伤而言,不均匀组织成为损伤的主要来源,在较低温度下（280℃）疲劳裂纹是由初生Si断裂而产生,而在较高温度（425℃）则是由空位积累引起的相界面剥离引起的。对于低应力循环载荷（如高周疲劳）,铸造缺陷开裂在疲劳开裂和失效中起决定性作用。室温时,疲劳源全部位于表面;高温时,除了表面疲劳源,内部的氧化膜在低应力时也能引起疲劳裂纹萌生。通过超声铸造处理,超声处理合金（UT合金）的初生相尺寸和空间结构明显优化。相对于重力铸造合金（AC合金）而言,不同温度下的抗拉强度和延伸率,以及等温低周疲劳寿命和热机械疲劳寿命均有明显的提高。