随着科学技术的发展和工业生产的进步,疲劳问题越来越受到人们的关注。据统计,在实际生产中约有80%的构件失效是由材料疲劳引起的。目前,在结构安全性与可靠性评价中,一般以经典断裂力学为基础,采用长裂纹扩展模型。然而实验表明,对于大多数材料来说,疲劳断裂过程取决于短裂纹的萌生和扩展过程。与长裂纹相比,短裂纹的演化具有明显的异常,而且这种异常不能用传统理论进行解释。因此,开展疲劳短裂纹问题的研究不仅有助于揭示疲劳损伤的物理机制,理解经典疲劳理论的研究成果,而且可以从理论上为在役结构提供安全性与可靠性评价。本文对20号钢进行高温低周疲劳试验,观测试样表面疲劳短裂纹的萌生、扩展及合体的演化过程,分析试验结果发现：在材料寿命初期,疲劳损伤表现为裂纹群体均匀的萌生,裂纹通常在与最大主应力轴相垂直的方向萌生和扩展,当有个别裂纹发展成为主导裂纹时,其周围的次裂纹扩展减速甚至闭合；在寿命中后期,疲劳损伤的主要形式为裂纹的扩展和合体现象,通常会发展成为两条较为明显的主导裂纹,随后它们将进行合体,产生的新裂纹迅速扩展,同时裂纹的扩展方向也会发生改变,另外,在主裂纹周围将不再萌生新的裂纹；此后,疲劳损失形式将以裂纹合体现象为主,最终发展成为宏观长裂纹导致试样断裂失效。由于疲劳短裂纹演化行为的复杂性和随机性,采用传统方法很难进行定量描述。近年来,分形理论的应用十分广泛。研究发现,疲劳裂纹的扩展也具有分形的特征,可以用分形理论来进行解释。裂纹扩展的分形维数中包含很多物理因素,如：加载条件、材料微观组织结构等。本文应用分形理论对疲劳短裂纹的群体演化行为进行了定量的表征,首先对试验图像进行分形提取,计算包含有裂纹信息的图像的分形维数,从而得到裂纹的分形维数随循环次数的演化特征,计算结果表明：疲劳短裂纹的萌生和扩展行为具有分形特征,裂纹群体的分形维数随着疲劳进程的发展而稳定的成比例增加,并且分形维数不产生缺口依存性,可适用于不同应力比的复杂应力状态下疲劳短裂纹的表征。随着应变幅的增大,分形维数会表现出明显的阶段性特征,从初始阶段分形维数随循环次数的迅速增长,到中期的平稳缓慢增长甚至出现平台期,再到最后阶段的加速增长。依据分形维数曲线的演化规律,可以预测材料在短裂纹阶段的寿命,从而对材料疲劳的短裂纹阶段进行安全与可靠性评价。