随着科技与经济的发展，各种动力机械和高温高压设备的应用将会更加广泛，随之而来的安全可靠性问题也将更为突出。在工程应用中，各类构件的失效约有百分之八十是由疲劳破坏引起的。在服役结构可靠性与安全性评价中，现有工作一般以经典断裂力学为基础，采用长裂纹扩展率模型，适用范围是结构“初始”状态已经处于长裂纹扩展范畴。实验研究结果表明，对有些材料来说，疲劳总寿命大部分消耗在短裂纹阶段，短裂纹行为与长裂纹相比具有明显的异常，且这种异常行为不能为传统的理论所解释。对疲劳短裂纹问题的研究将有助于揭示疲劳损伤的物理机制，解释经典疲劳理论的研究成果，最终为服役结构可靠性与安全性评价、寿命预测和疲劳—维修交互作用下结构安全性研究提供理论依据。 本文以复杂应力状态下高温低周疲劳表面短裂纹为研究对象，将实验技术和计算机模拟相结合，对16MnR材料进行多种条件下的高温疲劳表面短裂纹实验，采用中断实验和复膜技术相结合的方法观测分析有效短裂纹的扩展、合体和干涉行为，并对裂纹平均长度、裂纹分布角度进行统计分析。应用基于Monte Carlo方法编制的高温低周疲劳表面短裂纹演化过程模拟程序，对16MnR材料高温疲劳表面短裂纹演化过程进行模拟，将模拟结果与实验结果进行比较分析，对模拟裂纹的长度等进行统计分析，并追踪主、次疲劳裂纹的扩展路径，对其进行短裂纹扩展速率的分析。实验观测和模拟分析结果表明：在寿命前期疲劳损伤以裂纹群体萌生为主要形式，疲劳损伤可近似认为是均匀的，高温疲劳损伤起因于沿晶短裂纹是晶界孔洞的集结、成长和三重点开裂作用的结果；短裂纹多在接近与应力轴垂直的方向上随机萌生和扩展，裂纹分布具有较强的角度依存性；寿命后期疲劳损伤以裂纹扩展和合体为主要损伤形式，裂纹的扩展过程是多裂纹系统的演化过程，其中包含裂纹长度的演化、裂纹数量的演化及多裂纹间的相互作用等；裂纹的萌生和扩展情况受载荷大小和试样缺口形状的影响，主、次疲劳裂纹的扩展速率呈现出较大的分散性。文中还应用分形几何学进行疲劳短裂纹损伤规律的研究，通过Visual Basic语言编写程序，利用其图像处理功能获取实验结果图像和模拟图像的裂纹分形特征，并应用分形维数的像素点覆盖法拟合裂纹群体的分形维数值，对实验结果和模拟结果分别进行了分形分析，得到了裂纹分形维数随循环过程的演化特征：即随着疲劳的继续，含裂纹表面的分形维数随循环次数成比例关系稳定增加，循环载荷越大，分形维数D随循环次数增加的越快，分形维数D可以作为材料损伤状态的表征量。