传统疲劳设计观点认为，疲劳试验只要做到10⁷周次的应力循环，就可以满足机械和工程结构的安全使用。可是近年来，随着现代机械向高速和大型化方向的发展，许多机械和工程结构，如高速铁路的机车车辆结构及零部件、钢轨、发动机零部件等在承受10⁷～10⁹周次应力循环载荷后的超高周区域，疲劳破坏仍然发生。因此，传统的疲劳设计规范和寿命预测方法已经不能满足超高周区域机械设备的使用要求，超高周疲劳行为和试验方法的研究已经成为疲劳研究者必须面临的一项重要课题。本文以强度等级较高的GCr15轴承钢为研究对象，以旋转弯曲和常规轴向加载疲劳试验为主，超声疲劳试验为辅的试验方法，开展了10⁷～10¹⁰寿命范围的超高周疲劳行为的研究，具体表述如下：使用电子显微镜和Leica光学显微镜对裂纹萌生位置及其附近的特征进行了详细观察，分析了GCr15轴承钢在三种试验下的裂纹萌生机制，可以分为表面裂纹萌生机制和内部裂纹萌生机制。得到了该材料在三种试验下的疲劳S-N曲线，比较分析了三种试验下的疲劳S-N曲线的特征，同时验证了旋转弯曲疲劳S-N数据能较好的服从威布尔分布，得到了该材料旋转弯曲疲劳P-S-N曲线。使用SEV预测方法预测了该材料的最大夹杂尺寸，同时使用Murakami方程推定了该材料的疲劳强度。通过对裂纹的萌生位置的初期应力强度因子幅值ΔK_ini的计算，分析了裂纹萌生及扩展的断裂力学条件。通过旋转弯曲、超声和常规轴向加载疲劳试验结果的比较，考察了旋转弯曲与常规轴向加载疲劳强度的等效性，明确了超声加载频率、温度等因素对疲劳S-N曲线特性和裂纹萌生机制的影响。讨论了超高周疲劳试验方法的可行性，具体分析了常规疲劳试验方法和超声疲劳试验方法的适用范围。最后，在总结工作的基础上，对于今后的研究思路和研究方向提出了建议。