随着机械设备向轻量化发展的需求，高强度钢被大量地用于机械设备和工程结构。过去疲劳研究者一直认为，钢铁材料仅萌生表面裂纹，随着疲劳载荷的降低，通常在107周次以前，表面裂纹出现闭口想象，因此材料出现疲劳极限。尽管很多的机械设备和工程结构在服役期间将承受107甚至1010周次以上的载荷，由于在107周次以前，钢铁材料具有疲劳极限，因此，疲劳试验和研究仅考虑到107周次的载荷作用即可满足设计要求。可是最近十几年的研究却发现高强度钢在承受低于疲劳极限的交变载荷作用，当加载超过107周次的超长寿命区域(Giga-fatigue regime)，发生由材料内部夹杂物等缺陷引起的疲劳破坏。本课题的研究目标就是揭示高强度钢内部裂纹萌生和扩展行为。 本研究以高碳铬轴承钢GCr15为研究对象，用常规旋转弯曲试验机和超声疲劳试验机下进行的107～l010周次的超长寿命疲劳试验得到的断口，进行了GCrl5钢内部裂纹萌生和扩展特性的仿真分析，并综合多种分析手段进行了内部裂纹形成机理的分析和研究，同时定量的分析了内部夹杂尺寸对疲劳寿命的影响，具体内容如下： 使用扫描电子显微镜对试验所得的疲劳断口进行了详细观察并发现，两种试验系统下的破坏机制均可以分为：高应力、短寿命下的表面裂纹萌生机制和低应力、长寿命下的内部裂纹萌生机制。 用FRASTA法进行了内部裂纹萌生和扩展特性的仿真分析，结果表明：在两种加载系统下得到的超长寿命区带有GBF的断口的内部疲劳破坏的过程是：在夹杂周围首先产生微小的不连续的裂纹，随着裂纹的成长，裂纹逐渐贯通形成GBF区域，然后发生连续扩展。另一方面，在短寿命区没有GBF区的断口的内部疲劳破坏的过程是：首先从夹杂的边缘出现裂纹，然后裂纹发生连续扩展。 对GBF区域的详细观察和分析发现，该区域具有：大的粗糙度，区域内凸起部分的面积大小和组织中的碳化物面积大小基本相同，区域内具有高浓度的碳元素分布等特征，综合分析结果显示GBF区域是材料内部夹杂物周围的球形碳化物从组织中离散地剥离后出现的微小裂纹成长形成的。 通过使用旋转弯曲试验获得的S-N曲线数据推定了内部裂纹成长率，并基于内部裂纹成长率，定量分析了材料内部夹杂物的尺寸对超长寿命疲劳寿命的影响。 对超声加载系统下得到的断口进行详细观察后发现，在从内部夹杂开裂的断口的夹杂周围有明显的发热现象，即超声试验过程的冷却不够充分，超声频率加载下温度升高对材料的疲劳性能有一定的影响。