超高周疲劳(VHCF)是指材料在承受远低于屈服强度的循环应力下,仍在107周次以上发生疲劳破坏的现象。在VHCF阶段,裂纹偏向于从材料的内部萌生,并在裂纹源周边形成独特的细晶区(FGA)或粗糙区(RA)。由于FGA和RA是裂纹起源的区域,因而它们被视为裂纹萌生区。已有的研究表明裂纹萌生阶段占据了疲劳总寿命的95%以上。因此,破解裂纹萌生区的形成机理是研究超高周疲劳的关键所在。本文主要通过分析材料微结构的细节特征来探究裂纹萌生区的形成过程。为此,采用聚焦离子束技术在两种合金材料(高强钢和钛合金)超高周疲劳失效试样裂纹萌生区内制备了截面样品,并利用透射电镜结合选区电子衍射的方法仔细观测了样品表层附近的微观组织形貌和结构特征。实验结果进一步证实了负应力比下高强钢FGA区和钛合金RA区的表面是一层纳米晶层,然而正应力比下裂纹萌生区表面仍为原始的粗晶。这表明裂纹尖端的塑性变形仅仅能够导致一定程度的微结构变形,而不足以形成纳米晶粒。为了揭示萌生区内纳米晶粒形成的原因,定义了一个归一化参数来定量描述负应力比下超高周疲劳失效试样FGA区和RA区表层附近晶粒尺寸的分布。结果表明,对于高强钢样品,晶粒尺寸在裂纹扩展路径上不断增大。同时,利用有限元法分析了不同应力比加载工况下裂纹面间接触应力的分布情况,结果展示了裂纹面间接触应力在裂纹路径上不断减小的趋势,这与前述的实验结果相对应。对于双态组织的钛合金样品,纳米晶层的厚度较大,晶粒尺寸在深度方向上不断增大,而在裂纹生长路径上没有明显的变化趋势,这与双态组织钛合金多个等轴α晶粒解理致使裂纹起源的破坏模式有关。对于等轴钛合金样品,由于原始微结构中等轴α晶粒的尺寸较小,因此纳米晶层的厚度较小且分布不连续。实验和数值计算的结果表明,裂纹萌生区纳米晶粒的形成与裂纹面间的接触作用密切相关,即:更高的压应力以及更长的加载周次将促进微结构细化和纳米晶粒的形成。因此,本文的研究结果证实了“大数往复挤压”过程主导了高强钢和钛合金疲劳裂纹萌生区的形成。