疲劳断裂在航空、石化、核能等工程领域内是一种很重要的失效形式。对经受疲劳载荷的构件设计时，通常采用损伤容限设计方法，假定构件中存在裂纹并确保下一次检测之前裂纹不会扩展到引起破坏的长度。因此疲劳裂纹扩展问题一直是研究的热点问题。传统研究中，裂纹扩展速率的预测通常是基于线弹性断裂力学，并在长裂纹扩展问题上得到广泛验证。然而随着检测技术的发展，可探测裂纹长度逐渐减小，疲劳小裂纹问题也逐渐得到更广泛的关注。小裂纹在扩展机制与规律上都与长裂纹存在差异，但目前依旧缺乏对多尺度疲劳裂纹扩展问题的深入研究。围绕这一问题，本文针对典型材料从裂纹尖端断裂控制区的观测出发，通过数字图像相关技术，从介观与微观角度详细描述了裂纹尖端塑性随着疲劳进程的演化。进而建立了统一的小裂纹与长裂纹扩展速率的预测方法，并以此为基础对镍基合金构件的疲劳寿命进行了研究。论文的主要研究工作及结论如下:　　(1)对GH4169镍基合金中不同应力水平下疲劳裂纹从萌生、微观小裂纹、物理小裂纹到长裂纹阶段的演化进行了微细观的观察与测量，得到完整的多尺度疲劳裂纹扩展数据。覆膜测量实验结果表明，微观小裂纹阶段数据主要呈现离散度大及扩展速率高于长裂纹这两个主要特征。针对微观小裂纹阶段离散度大的特点，使用原位观测法，研究了304不锈钢材料中晶界对裂纹扩展的影响。发现裂纹扩展速率的波动随应力水平的增加或裂纹长度的增加而降低，表明随着应力水平的提高和裂纹长度的增加，晶界对裂纹扩展的阻碍效应逐渐降低。在低应力水平下，晶界的阻碍效应比高应力水平下更为明显。　　(2)对Ti-6Al-4V钛合金进行多尺度疲劳裂纹扩展实验。通过数字图像相关技术，观测其疲劳裂纹尖端累积塑性应变场随裂纹扩展的演化。结果表明裂纹尖端约45°方向形成两个高应变区域，在裂纹两侧的应变场呈现一定的非对称性。在获得裂纹尖端塑性区云图的基础上，对裂纹尖端沿裂纹线方向进行线扫描，得到裂纹尖端塑性区尺寸，与裂纹扩展速率可以较好地线性关联。　　(3)对GH4169镍基合金疲劳实验分别进行离线及原位微观数字散斑实验，分别得到GH4169镍基合金在微观尺度下卸载后残余应变及加载下的应变。得到裂尖塑性应变场随裂纹长度变化的演化机制。实验结果定量测得了应变在晶界处累积值与裂纹尖端在不同裂纹长度下的应变值。基于测得的裂纹尖端应变值，提出应用应变能密度参量关联裂纹扩展速率，并得到GH4169合金中裂纹扩展的临界值。　　(4)基于细晶强化理论，定义了各尺度下裂纹尖端塑性区的局部屈服强度，并统一了表达式。由此在微观机制非相似的基础上实现了多尺度疲劳裂纹扩展模型的统一。建立了裂纹扩展与材料晶粒度的关联。通过观测材料的微观组织获得其晶粒度分布，即可通过该模型得到预测的最大与最小扩展速率曲线，以两条曲线为包络线围成的范围即为预测的速率区间。与多种金属材料的实验数据对比发现，预测区间很好地覆盖了微观小裂纹阶段的离散性。而在长裂纹阶段，最大与最小速率曲线逐渐趋近直至重合，满足了传统的线弹性断裂力学在长裂纹阶段的预测结果。　　(5)对多尺度裂纹扩展模型所得到的平均速率曲线进行积分，可以预测疲劳寿命平均值。验证了多个实验中GH4169镍基合金材料具有不同初始缺陷情况下的多尺度裂纹扩展速率及疲劳寿命，预测数据与实验数据吻合，均落于两倍误差带以内。对预测曲线进行变限积分，获得GH4169合金构件在不同应力水平下的剩余疲劳寿命曲线。与长裂纹模型对比，发现基于长裂纹模型的寿命预测结果非保守，对无初始缺陷的构件，其预测结果可达多尺度模型预测结果的10倍。