随着现代工业的快速发展,机械设备服役工况日益苛刻,各个工业领域对材料的性能要求越来越高。这加速了新工艺、新材料,特别是超高强钢的应用。同时,作为结构材料主要损伤形式的疲劳破坏也日益受到人们的关注。然而,由于疲劳试验的周期较长,传统以疲劳性能优化为目标的选材通常要耗费大量的人力物力。因此,研究材料的疲劳机理,探索快速评价疲劳性能的方法,对材料疲劳性能优化和构件选材具有非常重要的意义。除此之外,考虑到构件的复杂服役载荷,仅仅快速评价常用的轴向拉-压疲劳性能是不够的,需要考虑复杂载荷来进行修正。本论文针对这些问题,以18Ni马氏体时效钢和AISI 4340钢两种典型超高强钢为研究对象,开展了疲劳性能快速评价与复杂疲劳载荷影响规律方面的研究。构建了一种快速评价金属材料疲劳性能的方法。对18Ni马氏体时效钢高周疲劳损伤机制的研究确认了马氏体板条界面附近的无析出物区（PFZ）是该材料组织上的弱区。使用横截面尺寸小于材料板条束尺寸的细长尺寸试样进行了拉伸性能研究,发现测试可以得到材料中弱区组织PFZ的屈服强度。研究表明:当拉伸试样的截面细到可以使包含PFZ的马氏体板条束占据试样的整个截面的程度时,PFZ中的变形将不会受到周围组织的制约,从而直接屈服。该方法有助于快速评估材料的疲劳强度,从而节省宝贵的时间。提出一种多试样测量疲劳裂纹萌生寿命的方法。通过分析含有不同初始裂纹长度的多个试样的寿命,得到疲劳裂纹扩展速率,进而可以使用总寿命减扩展寿命的方式定义并测量萌生寿命。该方法对扩展寿命做了比较精确的计算,从而间接地保证了萌生寿命的准确性,对材料和构件寿命预测及可靠性具有重要意义。同时发现:500℃时效5小时的18Ni马氏体时效钢会出现板条界面附近开裂的情况,这将增加疲劳裂纹扩展速率。据此提出双相裂纹扩展模型成功对这种现象进行了解释。通过开展附加轴向静应力的扭转疲劳试验,确认了正应力对扭转疲劳行为的影响。分析表明:压缩正应力下扭转疲劳寿命的增加主要由于其对裂纹扩展的影响;一方面,由于应力叠加效应,减小了第一部分扩展裂纹的有效应力强度因子;另一方面,使第二部分扩展的Ⅱ型裂纹的裂纹面相接触,而引入了摩擦力,进一步减小了有效应力强度因子。压缩正应力抑制试样表面的周向裂纹的萌生,使裂纹萌生平面偏离最大切应力平面,压缩正应力越大,实际裂纹萌生平面偏转的角度越大。据此提出使用椭圆准则来描述轴向静应力对AISI4340钢扭转疲劳行为的影响。发现马氏体组织在循环切应力下呈现疲劳性能的各向异性。AISI 4340钢扭转疲劳中萌生的裂纹由缺陷应力集中、最大切应力平面和马氏体板条界面三者共同决定。马氏体板条束界面对裂纹扩展存在阻碍作用,通过统计分析得到其具体数值在3.4 MPa·（?）至5.6 MPa·（?）之间。据此总结出扭转疲劳裂纹萌生判据:物理意义上,裂纹萌生主要取决于材料中马氏体板条界面的强度;工程意义上,只有长度超过临界值的裂纹才会突破组织上的障碍最终发展成为主裂纹。因此,可以从两个方面给出提高其扭转疲劳强度的方法:1)通过减小夹杂物尺寸和提高马氏体板条界面强度来补强组织上的短板;2)通过减小马氏体板条束的尺寸来抑制裂纹早期的扩展。