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超高周疲劳是指疲劳破坏周次在107以上的疲劳，包含超高周疲劳数据的S-N曲线是对传统疲劳极限理论体系下S-N曲线的必要补充。高强钢材料在超高周疲劳下具有区别于低周和高周疲劳的独特裂纹萌生行为及S-N曲线特征:疲劳裂纹从内部缺陷处萌生并伴随“鱼眼”现象，鱼眼中心位置的光学暗区呈现出颗粒状的特征，即细晶区(Fine Granular Area，FGA); S-N曲线由表面起源和内部起源两组数据构成。本文以150℃、180℃及300℃回火下高碳铬钢为研究对象，采用旋转弯曲疲劳加载和轴向拉压加载进行超高周疲劳实验，研究了材料微结构对S-N曲线分散性的影响;利用离子截面抛光、聚焦离子束等实验手段系统分析了鱼眼内超高周疲劳裂纹萌生及初始扩展的机制。
随着回火温度升高，残余奥氏体含量逐渐降低，超高周疲劳裂纹从非夹杂物起源向夹杂物起源转移，S-N曲线分散性有增大趋势。与夹杂物起源(180℃、300℃回火试样)相比，晶界起源(150℃回火试样）的S-N曲线分散性相对小。旋转弯曲疲劳加载下:150℃回火试样的S-N曲线是一条直线，晶界起源占超高周疲劳内部起源的89％;180℃回火试样S-N曲线呈阶梯下降状，内部起源类型全部为夹杂物起源;300℃回火试样超高周疲劳裂纹萌生的阈值△KFGA显著降低，夹杂物占内部起源的73％，表面起源与内部起源呈现相互竞争态势，疲劳寿命分散性最大。
夹杂物的位置和大小对疲劳寿命分散性均有影响。旋转弯曲加载下，夹杂物位置的不同造成四种断裂模式:Surface fisheye，Interior fisheye，FGA+Surfacefisheye，和FGA+Interior fisheye。有FGA形成的情况下疲劳寿命较长，无FGA形成时寿命较短。采用轴向拉压加载将应力控制同一水平下，疲劳寿命随着夹杂物尺寸的减小而增大，疲劳寿命分散性达三个数量级。
对于内部夹杂起源，通常是以FGA+Interior fisheye的模式断裂。但当内部夹杂离试样表面距离足够小时，FGA开始形成后很快到达试样表面，在空气环境中不构成FGA形成的必要条件，内部疲劳裂纹萌生转为空气中的裂纹扩展，形成表面鱼眼，构成FGA+Surface fisheye断裂模式。△KFGA也明显低于同组的其他试样。表面鱼眼所消耗寿命可以用Paris公式很好地估计，因此容易计算出该模式下FGA所消耗的寿命，进而得到FGA内平均裂纹扩展速率是10-13至10-12m/cycle，远低于长裂纹扩展门槛值所对应的10-10 m/cycle。FGA的形成消耗了超高周疲劳寿命的95％以上。
FGA的形成伴随着材料晶粒细化过程的发生。采用离子截面抛光仪(IonBeam Cross Section Polisher, CP)对FGA进行剖面取样，在金相腐蚀后的FGA剖面上，用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)观察到厚度为656nm的不同衬度的层状结构，进入到鱼眼区后该层状结构逐渐消失。采用聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)方法制作了FGA的透射样品，透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)及电子衍射分析结果显示该层状结构的衍射图案为环状，与铁素体（α-Fe）晶格参数一致。实验结果确定了细晶层的存在，且细晶层厚度与FGA裂纹尖端塑性区尺寸相当。内部夹杂引起应力集中，裂纹尖端塑性变形累积以及循环加载下裂纹面反复挤压等造成局部温升，使得基体材料中马氏体、残余奥氏体等发生相变，转变为铁素体(α-Fe)，是塑性区内细晶形成的原因。塑性区内往复的剧烈塑性变形导致孪晶马氏体等分解成铁素体，其过程可以用位错塞积理论来描述。引入夹杂物尺寸、材料强度、马氏体宽度等参数后的Tanaka-Mura模型，其超高周疲劳寿命的预测结果在数量级和趋势上与实验结果一致。