韧性断裂一般会经历明显的塑性变形,是钢材最常见的破坏形式。随着钢结构在我国应用的快速增长,研究钢材韧性断裂机理并准确预测钢材韧性断裂行为具有重要的理论意义和工程实用价值。基于微观空穴理论的断裂预测方法对研究钢材韧性断裂行为有较好的适用性。其理论基础为研究应力、应变与材料细观结构之间的相互作用,从材料内部空穴的演化过程揭示裂缝萌生及扩展的原因,建立基于断裂机理的韧性断裂损伤模型,是目前准确预测金属材料断裂的有效方法之一。本文采用理论模型、有限元分析和断裂试验相结合的方式,基于空穴理论对钢材韧性断裂机理及韧性断裂模型进行研究。本文通过对15组不同高应力三轴度应力状态及63组不同低应力三轴度应力状态的体胞模型进行有限元分析,研究了钢材在复杂应力状态下的韧性断裂机理,量化了空穴演化随应力三轴度及罗德参数变化的规律,并从微观角度验证了钢材两种依赖于应力状态的细观断裂机理——拉伸断裂机理和剪切断裂机理。其次,本文将微观尺度上的空穴演化机理转化为宏观尺度上材料的整体材性,在Rice-Tracey模型和VNISFM模型的基础上提出了综合考虑应力三轴度与罗德参数影响的韧性断裂模型,该模型适用于金属材料在拉伸应力状态、剪切应力状态及拉-剪复合应力状态下的断裂性能分析。在韧性断裂模型中引入损伤因子,采用Fortran语言将其编写USDFLD子程序,并将其植入有限元程序Abaqus/Standard进行断裂预测分析。本文对已有学者完成的3组不同类型Q345钢材材性试验进行有限元分析,模拟得到的试件裂缝萌生、裂纹扩展及荷载-位移曲线信息与试验结果吻合较好,并根据模拟得到的试件断裂起始位置应力状态对韧性断裂模型参数进行校核。在此基础上,引入轴对称拉伸应力状态（T=1/3,L=-1）作为拉伸断裂分支和剪切断裂分支的分界点假定,降低了断裂模型参数校核难度。最后,本文进行了两组十字型刚节点试件单轴拉伸试验,用校准的断裂模型对其进行断裂预测,并对其他学者完成的一组方钢管焊接节点试件单轴拉伸试验进行了断裂预测。结果表明,本文的韧性断裂模型预测精度误差小于15%,且能够准确捕捉钢材断裂起始位置及裂缝扩展路径。本文的创新点为基于微观-宏观多尺度方法提出了新的钢材韧性断裂模型,相较于现有韧性断裂模型,本模型具有微观断裂机理支撑、模型参数较少、参数校核过程简化及适用于钢节点复杂应力状态分析等优势。