金属材料的疲劳问题是指在外荷载反复作用下金属材料内部发生的性能变化。作为工程中最为常见的失效模式,金属材料的疲劳问题一直受到工业界与学术界的广泛关注。随着现代科技的快速发展,材料与结构越来越多的处于多物理场、极端环境等工作条件下。传统的经验化疲劳性能预测方法对于新材料与新环境是否适用仍然是个值得探讨的问题。本文在热力学与统计物理的框架下,利用能量方法结合断裂力学、细观力学对疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测进行理论探讨;将这一理论方法延伸至蠕变领域,开发了蠕变应变预测模型。同时结合试验研究,对于极端环境下Sn-Ag-Cu焊点的疲劳寿命进行测试与研究;最后利用Sn-Ag-Cu焊点的试验数据辅以传统金属材料的试验数据对前期的理论进行验证。首先将疲劳相变理论与细观力学结合,通过考虑疲劳裂纹萌生过程中的位错偶极子增殖与运动机制,建立疲劳裂纹萌生过程的吉布斯自由能体系。利用疲劳裂纹萌生时体系自由能处于最大状态的条件,通过理论推导获取疲劳裂纹萌生预测模型。与试验数据的对比验证了该模型的准确性。进一步将这一方法应用于疲劳裂纹扩展阶段,通过建立宏观裂纹扩展过程中的动态能量平衡关系推导裂纹扩展率预测模型。为了对理论模型进行验证,提出了一个表示驱动裂纹扩展的能量参数。随后结合试验数据研究了该参数与应力强度因子的关系。进而将其应用于裂纹扩展率的预测中。与试验结果和传统模型的比较可以发现,新模型可以较好的预测疲劳裂纹扩展率。针对航天条件下可能遇到的超低温环境,设计试验,讨论时效温度对电子封装中SAC305焊点的疲劳力学性能的影响。首先对于焊点可能存在的服役环境温度进行分析,根据实际情况设计试验。从-196℃（月球夜间温度）到190℃（接近SAC305焊料的熔点）分组进行温度时效试验。然后对时效处理后的焊点进行单轴拉伸与低周疲劳试验。为了处理试验结果,在传统Weibull分布的基础上通过考虑时效温度的影响分别修正了Weibull模型用以分析SAC305材料单轴拉伸强度和低周疲劳寿命的统计分布。通过对试验结果分析可知,经过不同温度24小时时效处理后,SAC305焊点在室温时效获得了最大拉伸强度。经过不同温度72小时时效处理后,SAC305焊点在超低温时效处理下获得了最大拉伸强度与最大疲劳寿命。在超低温下经过不同时效时间的低周疲劳试验表明,SAC305焊点在时效时间为72小时获得的疲劳寿命最大,随着时效时间的延长,SAC305焊点的疲劳寿命逐渐降低。显微组织分析表明,SAC305焊点的拉伸塑性与材料中的Ag3Sn的含量有关,Ag3Sn含量过高可能引起脆性断裂。同时随着时效温度的升高,SAC305焊点中Cu6Sn5的体积逐渐增大。最后通过分析不同时效温度下金属间化合物的厚度获取其与时效温度间的关系。此外,通过对拉伸断口与疲劳断口的分析归纳出SAC305焊点从超低温时效到高温时效过程中的拉伸断裂模式,即从完全脆性断裂到延性断裂的过程。对于不同条件下SAC305焊点的时效试验颠覆了传统对于超低温下材料失效的认知,即超低温不一定完全不利于材料性能的发挥。在原始K-T图的研究基础上,通过考虑不规则小裂纹扩展阶段对K-T图的影响提出了对等效初始缺陷的修正计算模型。修正后的计算模型更为保守,可以避免利用等效初始缺陷预测疲劳寿命过大的问题。随后,利用一种基于净截面应变能的裂纹扩展率预测模型推导新的疲劳寿命预测模型。该模型的主要优势是通过将不同机制的裂纹萌生阶段统一考虑在等效初始缺陷中,避免了积分初始值难以确定的问题,简化对于疲劳寿命的预测难度。与不同金属材料的试验数据（光滑试件、缺口试件、腐蚀试件、细观处理试件）对比显示,该模型可以较好的预测不同试验条件下金属材料的疲劳寿命。材料的疲劳损伤过程在热力学理论框架下可以认为是一个伴随着熵增的不可逆热力学过程。利用经典的损伤势理论可以构建一般塑性损伤过程中的损伤率微分方程。进而结合玻尔兹曼熵增理论建立熵的损伤微分关系。在连续介质损伤力学中,损伤的量化都是通过对材料属性参数劣化的度量得到的,而材料属性的劣化通常对应着内部细观结构的演化。热力学熵的概念与之相似,都是对材料微观的表现。通过将两种损伤模型结合,得到固体力学中熵增率的计算模型。随后将其用于疲劳领域,得到了新的低周疲劳寿命预测模型。设计不同时效时间与应变幅值的疲劳试验验证模型的可靠性。随后研究了蠕变过程中熵增率与归一化蠕变时间的关系。发现在蠕变过程中,所研究的不同金属材料的熵增率均保持相同的变化关系。根据这一规律提出经验化公式来表现蠕变过程中熵增率的变化。最后基于这一关系开发蠕变应变预测模型。与大量金属材料试验数据的比较显示,该模型可以较好的预测蠕变应变。