纳米析出相的结构、尺寸、体积分数及力学行为共同影响铝合金强化效果。前期研究及文献报道均发现在200-300 keV的常规高能透射电子束下，铝合金亚稳析出相，如Al-Mg-Si合金的主要强化相β″，在几分钟内即发生结构损坏。为解决该问题，本工作提出了耦合低能量/低剂量球差矫正透射电镜观察和能量-错配度理论计算的系统方法，为不耐电子束辐照的铝合金纳米析出相的晶体结构构建及界面、缺陷结构研究提供了新的范式，构建的Al-Mg-Si(-Cu)体系若干重要析出相如GP区、β″、B′的晶体结构模型夯实了铝合金集成计算材料工程的晶体结构基础，为析出相力学性质、热物理性质及力学行为的理论模拟提供了可靠依据。在另一方面，本工作通过原位TEM纳米力学实验、离位TEM及三维原子探针（3DAP）表征，从实验角度系统揭示了主强化相β″及次强化相β′被位错切过、碎片化及旋转等不同力学行为，并与多尺度微结构定量表征一起，为屈服强度模型提供了关键精准输入，实现了同时析出的不同强化相的强化效果的精确模拟预测。在以上实验研究及文献研究基础上，本工作抓住铝合金实际工业设计中的主要矛盾，提出了应用相图热力学计算指导高强韧铝合金高效设计的三个准则，研制的高性能铝合金得到重要应用。