低周疲劳失效是压力容器的重要破坏形式之一。在循环载荷作用下,压力容器的局部高应力区会出现微裂纹,随着载荷作用微裂纹不断扩展,形成宏观疲劳裂纹,从而导致容器发生疲劳失效。为了保障承压设备的安全可靠性,需要对材料的低周疲劳性能及疲劳裂纹扩展规律进行系统研究。本文选择压力容器常用材料304奥氏体不锈钢为研究对象,通过低周疲劳试验研究其低周疲劳性能、寿命行为;通过疲劳裂纹扩展试验,并结合数字图像相关法（Digital Image Correlation,简称DIC）与有限元分析方法,研究其疲劳裂纹扩展规律和裂纹尖端塑性区,为压力容器疲劳设计与寿命预测提供试验数据与分析方法。本文的主要工作如下:（1）本文对304奥氏体不锈钢进行低周疲劳试验,通过分析循环应力响应、循环应力-应变行为、循环应力-应变滞回曲线获得低周疲劳性能。通过应力、应变和应变能密度等参量建立了304奥氏体不锈钢的疲劳寿命模型,并对比分析了模型的适用性,结果表明,三参数幂函数能量法和基于塑性应变能的寿命方程具有更好的预测精度。（2）对304奥氏体不锈钢进行了疲劳试验裂纹扩展试验,通过DIC分析获得了裂纹尖端循环塑性区应变分布,结合裂纹尖端应力-应变场计算得到裂纹尖端循环塑性区应力分布,计算得到裂纹尖端循环塑性区内塑性应变能,并与疲劳裂纹扩展速率建立联系。结果指出:裂纹尖端应力-应变关系符合在低周疲劳下的应力-应变公式;裂纹尖端循环塑性区内的塑性应变能与疲劳裂纹扩展速率之间存在非线性关系,并建立基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展速率模型。（3）通过有限元分析对304奥氏体不锈钢在循环载荷下的疲劳裂纹扩展数值模拟,得到裂纹尖端应力-应变分布和循环塑性区内总应变能,并将有限元分析结果与DIC分析对比验证,结果表明:通过有限元分析得到的裂纹尖端位移、应变场与DIC观测结果基本一致,为裂纹尖端应变场以及循环塑性区的研究的提供了有效的方法;通过对裂纹尖端循环塑性区应变能的分析,得到与疲劳裂纹扩展速率之间的关系,并建立基于裂纹尖端应变能的疲劳裂纹扩展速率模型。（4）结合裂纹尖端应力-应变场与低周疲劳性能,建立了304奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展速率预测模型,并与Paris公式和疲劳裂纹扩展试验数据对比分析,结果表明:基于裂纹尖端应力-应变场与Manson-Coffin公式建立的疲劳裂纹扩展预测模型,在裂纹萌生阶段、稳定扩展阶段和快速扩展阶段皆具有较高的预测精度与可靠性,能够准确的表征304奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展行为。