疲劳的发展一般经历着循环变形、微裂纹的萌生扩展和裂纹扩展至断裂。虽然近年来对疲劳短裂纹的研究已成为整个疲劳断裂研究领域的重点之一,但是尚未形成比较完善的相关理论。疲劳短裂纹阶段作为疲劳损伤的起始阶段,对疲劳短裂纹的发生、发展进行正确了解和评定,不仅有助于认识疲劳裂纹演化的微观机理,揭示疲劳损伤的物理机制,而且可以探究影响疲劳寿命的因素,为材料设计和工程结构优化提供技术支持,最终建立疲劳寿命预测方程和评估方法,为结构可靠性与安全性评价提供理论依据。本文通过完成20钢在复杂应力状态下的高温低周疲劳短裂纹试验,开展了以下工作：(1)通过对表面光滑试件的试验研究,获得了20钢在高温条件下的疲劳损伤机制。研究表明,疲劳短裂纹在高温下通常萌生于铁素体一一珠光体晶界上,个别裂纹萌生于较大铁素体内滑移带,鲜有裂纹在珠光体中萌生。在微观结构影响阶段,短裂纹扩展遇到珠光体带状结构时,会出现一次明显的减速。之后短裂纹突破珠光体带状结构约束,发生裂纹的合体,疲劳短裂纹扩展剧烈加速,进入裂纹稳定生长阶段。主导短裂纹形成并逐步扩展,发展成为长裂纹,直至最终失效断裂。在疲劳短裂纹的萌生和扩展过程中,短裂纹密度也呈现先剧烈增加,之后略有下降并趋于平稳的趋势,裂纹密度约在寿命比0.3-0.4间时达到最大。疲劳短裂纹角度基本与最大应力主轴方向垂直。(2)采用改进神经网络方法,引入自适应调整策略,发展了疲劳短裂纹演化行为表征方法,并对疲劳短裂纹密度和扩展速率进行了模拟预测。发挥BP网络算法的局部精确搜索和遗传算法的宏观搜索、全局优化特性,采用遗传算法优化确定神经网络的权值和阈值,引入自适应调整策略,建立了改进神经网络方法。基于该方法建立的神经网络模型,综合了影响疲劳短裂纹演化行为的多个因素,反映了其隐含的复杂非线性关系。采用该方法对疲劳短裂纹密度和扩展速率进行了模拟,并将其与单BP神经网络预测进行了比较,表明改进神经网络模型的模拟结果更好,预测精度更高,基于该方法建立的疲劳短裂纹演化行为模型合理有效。(3)通过二值化处理试验采集图像,提取反映疲劳损伤过程的分形特征数据,采用改进神经网络模型,将分形维数作为输入参量,对20钢复杂应力状态下的疲劳寿命进行预测,并与试验结果进行比较分析,表明建立的模型收敛较快、准确性较好。