镍基单晶合金具有良好的高温抗疲劳和蠕变性能，是制造航空涡轮发动机叶片的重要材料。航空发动机涡轮叶片工作在高温、高压和高转速的环境中，受到反复的疲劳载荷作用时，疲劳断裂是引起叶片失效的主要原因之一。因此进行镍基单晶合金在多轴载荷作用下的低周疲劳研究，建立合适的疲劳寿命预测模型，对航空发动机叶片的疲劳强度设计具有理论指导意义和应用价值。本文的主要研究工作如下：一、基于正交实验设计方法，在国内首次进行了[001]取向的DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样在680℃和850℃温度下的拉/扭非比例循环加载低周疲劳试验，研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用。二、结合镍基单晶合金微观结构特征，建立了γ/γ’两相单胞微观尺度力学模型，根据疲劳试验参数，分别对镍基单晶合金薄壁圆管宏观试样和γ/γ’两相单胞微观模型进行多轴非比例循环加载有限元数值模拟。结果表明：单胞模型基体的最大等效应力范围和最大等效应变范围出现在基体相尖角上；沉淀相的最大等效应变范围和最大等效应力范围出现在γ/γ’两相交接面圆角过渡处，且基于微观单胞模型有限元分析所得到的计算结果与试验值更接近。三、基于能量耗散理论，引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响，构造循环塑性应变能作为损伤参量，建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之间呈幂函数关系。分别利用宏观有限元模型和γ/γ’双相单胞微观有限元模型的计算结果，以及镍基单晶合金680℃和850℃低周疲劳试验数据，对疲劳寿命模型进行多元线性回归分析，结果表明微观单胞有限元模型的计算精度比宏观有限元模型显著提高。四、将菱形应变加载路径划分为比例加载段和非比例加载段，提出了表征非比例加载效应的等效应变参量，并引入表征拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命影响的单晶应力三轴性因子，构造疲劳损伤参量，建立的疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性，所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内。最后，对全文的主要工作和结论进行总结，并对今后工作提出展望。