La prueba de fatiga ultrasónica es una tecnología clave que es más eficiente y ahorradora de energía en comparación con las pruebas de fatiga convencionales. Con el fin de investigar el comportamiento de los materiales metálicos a frecuencias ultra-altas y verificar la validez de los resultados de las pruebas de fatiga ultrasónica, este documento construye un aparato de prueba que puede ser utilizado para llevar a cabo pruebas de fatiga ultrasónica, y propone un procedimiento completo desde el análisis teórico hasta la investigación de las leyes de prueba para la tracción a 20 kHz y la prueba de compresión. En primer lugar, se calculan los tamaños iniciales de la muestra con un método analítico, luego se simula y optimiza el modelo tridimensional con software de elementos finitos, y se obtiene el resultado óptimo para el tamaño de la muestra de acuerdo con la sensibilidad del tamaño de la muestra al efecto de la frecuencia. El siguiente paso es analizar la tendencia influenciada del tamaño de la muestra, incluyendo L, L, L, R y R, sobre la frecuencia resonante y el estrés máximo de la muestra. De acuerdo con los resultados optimizados, se procesó la muestra y se llevó a cabo una prueba de fatiga ultrasónica para asegurar que finalmente ocurriera la fractura por fatiga de la muestra. Finalmente, se trazó la curva S-N del material basada en los datos registrados en la prueba y se comparó con la curva de vida de fatiga convencional para verificar la viabilidad del dispositivo de prueba de fatiga ultrasónica y el método de prueba. La fractura de la muestra se observó utilizando un microscopio óptico, y se analizó su morfología de fractura macroscópica. La morfología de fractura de la muestra se puede dividir en tres zonas típicas: la zona de origen de la grieta de fatiga, la zona de extensión y la zona transitoria, donde todas las grietas de fatiga se originan en la superficie de la muestra. Los resultados demuestran la validez de los resultados de la prueba de fatiga ultrasónica y proporcionan nuevas ideas para el diseño y la optimización de muestras de fatiga ultrasónica y tiempos de procesamiento más cortos, proporcionando una referencia para pruebas de fatiga ultrasónica posteriores en materiales típicos.