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铸造Al-Si系合金因质量轻和流动性好等特点,在传统汽车发动机相关零部件上得到广泛应用。然而,随着未来汽车发动机轻量化、集成化、智能化的发展趋势,结构减重、内腔薄壁和高强高韧等高温热力学性能要求日益增高的矛盾愈加突出,传统发动机用材面临巨大挑战。传统Al-Si系合金的室温强度和韧性匹配性差,高温机械性能缩减严重等弊端限制了其在未来高端发动机上的应用。因此改善Al-Si系合金在室温和高温下的强度和韧性匹配度,对未来发动机的发展具有重要的应用价值和理论价值。本文在对汽车发动机常用铝合金材料Al-Si-Cu-Mg系合金的研究基础上,分析了主合金元素Cu、Mg含量对可溶中间相参数,以及变质元素Zn含量和凝固条件对不溶中间相参数的影响。依据强度和韧性的最佳及平衡原则,确定了主合金元素Cu/Mg的最优化匹配和变质元素Zn的最优添加量;基于铸态下中间相参数的调控,通过热处理工艺优化设计,探究了固溶过程中的中间相的演变规律及不同时效工艺对合金强韧性的影响,制定了强度和韧性优异配比的热处理工艺;最后,基于优化后的铸态下中间相参数和热处理工艺,通过添加过渡金属元素以促进高温稳定中间相的形成,显著改善了Al-Si-Cu-Mg系合金的高温性能。主要研究结果表明:（1）随着Cu含量的增加（0-3 wt.%）,可溶中间相的类型由富Mg相逐渐向富Cu相转变。而Mg含量的增加（0.2-0.6 wt.%）虽然没有改变可溶中间相的类型,但明显地增加了块状Al2Cu相的面积比和缩减了共晶Al2Cu相的面积比。块状Al2Cu相的大量形成严重缩减了合金的强度增加响应和增强了延伸率的缩减响应。当Cu-1.2 wt.%和Mg-0.4 wt.%时,取得了最优的强度和韧性配比;（2）当Zn添加量为0.6 wt.%时,不同铸造条件下Al-9Si-1.2Cu-0.4Mg基本合金中的不溶中间相均展现出最佳的变质效果。金属模铸造条件下,共晶Si由微米级纤维状变质为亚微米级粒状,而富Fe相由针状β-Fe变质为汉字状π-Fe。砂模铸造条件下,共晶Si由板片状变质为粒状,而β-Fe的尺寸则被有效地细化。Zn的添加使得合金的抗拉强度和延伸率得到提高,但屈服强度略微降低;（3）不同铸造条件下的Al-9Si-3Cu-0.4Mg-（0.6Zn）合金在固溶过程中均出现Al2Cu的析出,而Al2Cu析出则受到富Fe相参数的影响。相对于π-Fe分解后为Al2Cu的析出提供位点,自由β-Fe可以直接为其析出提供位点。相对于低温和高温时效,双级时效不仅提高了合金的强度,而且使得其韧性保持较高的水平。与基体合金相比,Zn变质合金不仅缩短了峰时效的时间,而且提高了时效峰值;（4）Cr、Ti、V、Cr、Mo和Mn等过渡金属元素的添加显著改变了Al-Si-Cu-Mg系合金的微观组织。具有不同形貌的富Cr VTi、富Zr VTi和富Mo Mn Fe等高温稳定中间相存在显著提高了Al-Si-Cu-Mg系合金的力学性能,特别是高温环境下的力学性能。通过对过渡金属元素热稳定性分析发现,相对于Zr、V、Ti元素,Cr、Mo和Mn元素具有更高的热稳定性。