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疲劳是机械结构件主要的失效方式之一。服役中的各种航天飞行器、压力容器、核电站、发电厂以及机车的零构件通常会承受热机械载荷作用。因此从理论上系统深入研究热机械疲劳损伤过程及寿命估算方法，解决热机械载荷中温度变化的问题，将会有效地提高疲劳寿命预测精度，保证设备安全可靠的运行，有效预防事故的发生、节约成本。因此本文关于热机械疲劳的研究不仅具有理论意义，而且具有重要工程实际意义。 本文在综述国内外热机械疲劳研究概况的基础上，结合国内外最新研究进展，采用试验研究与理论分析相结合的方法，从实际工程角度出发，深入研究热机械疲劳的寿命预测方法。论文主要从以下几个方面进行研究: 首先，通过对比热机械疲劳与等温疲劳的不同，在三参数幂函数能量方法的基础上，考虑由温度变化产生的热应变的影响，提出了一种单轴恒幅载荷下的等效热机械疲劳寿命预测方法。为了说明等效能量法的合理性与有效性，列举了典型的等温疲劳寿命预测模型，例如Ostergren模型、SWT模型、Manson-Coffin方程和微裂纹扩展模型，并说明了等温疲劳寿命与热机械疲劳寿命存在着差异。 其次，论文根据所提模型需要的参数对FGH96和K417镍基合金进行有限元分析，分别得到热机械疲劳中由温度变化产生的热应变以及对应最高温度处结构分析的应力、应变。 然后，使用K417镍基合金有限元计算结果与试验结果进行对照，证明有限元计算结果的可靠性。为了说明用有限元计算结果预测寿命的可靠性，分别使用Manson-Coffin方程，三参数幂函数能量方法(3SE)，临界面应变能密度法进行寿命预测，与试验寿命的比较基本位于2倍因子之内。通过在相同模型下有限元分析数据与试验数据对照，说明使用有限元数据预测寿命出现偏差是由模型预测能力决定的，进一步说明有限元分析结果是令人满意。 最后，在有限元计算数据的基础上，采用等效的能量法进行寿命预测，预测结果几乎全部位于2倍因子之内。同时利用热机械试验数据，采用Ostergren方法进行寿命预测，通过两种预测结果的对比，说明使用等效能量模型可以对热机械疲劳进行寿命预测。此外，为了验证提出的等效方法在实际工程中的可靠性，求出了模型的分散带和标准差，结果显示提出的等效方法仍具有很好的预测能力。