超高周疲劳指疲劳破坏循环数大于107周次的疲劳。高强钢的超高周疲劳表现出与传统疲劳明显不同的裂纹萌生特征。本文采用旋转弯曲疲劳试验机(f=52.5Hz)，设计腐蚀环境疲劳实验装置，研究了40Cr钢在空气、水介质(pH=7.70)和3.5％NaCl(pH=7.47)水溶液中的高周、超高周疲劳性能。使用扫描电镜和原子力显微镜分析了疲劳断口特征和疲劳损伤的机理。研究了GCr15钢缺口试样的超高周疲劳性能，使用统计方法分析了非金属夹杂物对材料超高周疲劳强度的影响。主要研究内容如下：　　 ⑴水介质中，疲劳寿命在107周次时，40Cr钢的疲劳强度相当于空气中疲劳强度的34％；在108周次时，该比值降低到21％。而在3.5％NaCl溶液中，107周次时40Cr钢的疲劳强度相当于空气中的10％；在108周次时，该比值仅为5.82％。机理分析表明，氢致开裂导致了介质环境中材料超高周疲劳强度大大降低。　　 ⑵空气中，40Cr钢在7.1×108周次时仍发生疲劳失效，相应的S-N曲线呈现阶梯下降型。断口分析表明，材料为单点裂纹起源。疲劳寿命小于107循环周次时，疲劳裂纹由表面起源。当疲劳寿命超过107周次，疲劳裂纹由材料内部的非金属夹杂物处起源，形成鱼眼状的断口形貌。能谱分析表明，夹杂物的主要化学成分是Al、O、Si和Ca。断裂力学计算表明，鱼眼的应力强度因子值对应其疲劳门槛值△Kth，裂纹从夹杂物扩展成鱼眼为小裂纹阶段。随疲劳裂纹的扩展，疲劳断口分别以解理断口、准解理断口以及韧窝断口为主。水介质中，40Cr钢的S-N曲线也呈阶梯下降；3.5％NaCl水溶液中，40Cr钢的S-N曲线为连续下降型。水介质和3.5％NaCl水溶液中样品的疲劳断口均为多点起源的断口形貌。疲劳裂纹从材料表面和内部微空洞处起裂，裂纹扩展以沿晶断口为主，在裂纹扩展过程形成大量的二次裂纹。基于试验工作，发展了D*模型，应用于介质环境中分析了疲劳裂纹萌生位置的转变。模型反映了施加载荷、晶粒尺寸、夹杂物尺寸和表面环境对疲劳裂纹萌生的影响。从理论上解释了不同介质环境中材料的S-N曲线特征。　　 ⑶疲劳裂纹萌生机理分析表明，空气介质中，材料内部的非金属夹杂物在局部应力的作用下，与基体材料发生脱粘而形成孔洞，微裂纹沿孔洞边沿向材料内部扩展并导致断裂。而在3.5％NaCl溶液中，疲劳裂纹首先在试样表面或近表面多处形成。疲劳开裂面积占试样面积的比值随着疲劳周次的增加逐渐地由3.25％增加到65.2％。损伤面积随疲劳周次的增加是由于表面介质和力学的共同作用导致的。　　 ⑷对GCr15钢缺口试样疲劳研究表明，缺口试样S-N曲线连续下降。疲劳缺口系数和疲劳缺口敏感系数随循环周次的增加而不断降低。由于应力集中的影响，断口为多点裂纹起源形貌。采用统计极值和广义帕累托两种方法预测不同体积材料中的夹杂物尺寸并通过夹杂物的尺寸计算材料的超高周疲劳强度，预测值比实验值小10％。