氢致裂纹又称延迟裂纹,在工程上造成的失效案例,多年来一直都有报道,引起相关领域学者的持久关注。目前已经给出的含氢断裂准则,只是基于对单一材料试验结果的数据拟合,并没有给出足够的物理机制,更加没有广泛的适用性。本文基于断裂力学相关理论,针对试验结果给出新的含氢断裂失效准则,通过分子动力学模拟进行细节修正,拥有普遍的适用性及明确的物理机理,并且设计相关实验验证了该准则的合理性,对工程上控制氢致裂纹具有重要意义。首先,通过电化学充氢方法系统地研究了氢对钢铁材料的作用形式及规律。材料中的氢具有促进裂纹扩展的载荷作用和降低裂纹抗力的脆化作用,其中氢的载荷作用以裂纹内腔内残余氢的分子气压的形式体现。而扩散氢的脆化作用致使塑性变形能力降低,对应着延伸率和断面收缩率的降低以及断口形貌的韧脆转变。然而扩散氢对屈服强度和抗拉强度等强度指标则没有明显影响,即使在特殊条件下,试验过程中发生断裂强度下降的现象,也是由于形成的氢致裂纹对试样承载面积降低造成的,并非材料力学性能发生改变。因此,扩散氢对塑性变形能力的减弱是导致断裂韧性降低的主要原因。而塑性变形由于增加了氢陷阱密度导致充氢效果的增强,则会加剧氢损伤行为。其次,通过紧凑拉伸试验,研究了扩散氢含量与断裂韧性之间的对应关系。用指数函数拟合了含氢的Q235钢与45号钢的断裂韧性变化规律,给出了表征氢致裂纹敏感性的方法。通过断口形貌及载荷-位移曲线的分析,进一步确认了扩散氢降低断裂韧性的原因在于降低塑性变形能力而非改变断裂强度。然后,基于断裂力学的K因子准则中裂纹失稳扩展的临界条件,给出了新的含氢断裂准则表达式,该准则同时考虑了氢的载荷作用与脆化作用,可以更合理地判定含氢状态下裂纹的扩展与否。对于残余氢的载荷作用,采用氢压的应力强度因子予以表征;而对于扩散氢的脆化作用,采用含氢断裂韧性表征。根据理论推导进一步得出了新含氢断裂准则的具体理论表征方式,即分别给出了氢压的应力强度因子和含氢断裂韧性这两个物理量与平均扩散氢含量的理论关系。对于扩散氢含量与含氢断裂韧性的关系,根据Orowan修正的Griffith能量理论、Jolk的裂尖扩展塑性理论模型和Hirth等的热平衡理论以及应力梯度驱动氢扩散方程,获得了裂纹周围平均扩散氢浓度与断裂韧性的理论关系;对于扩散氢含量与氢压的应力强度因子之间的关系,其一,借助Sievert溶解平衡方程描述扩散氢与氢压之间的吸附和热解吸平衡,其二,根据断裂力学K因子理论的相关推导,获得了氢压的应力强度因子在线弹性与弹塑性条件下的理论表达式,综合这两个方面的结果,获得了热平衡状态下扩散氢含量与氢压的应力强度因子的理论关系。另外,分别采用分子动力学(MD)模拟与有限元(FE)计算方法对理论表征的新含氢断裂准则给予了修正与补充。对于含氢断裂韧性的理论关系,通过MD模拟,给出了二次多项式函数,以修正理论推导中氢覆盖率与断面表面能的线性关系,并且通过拉伸模型和含裂纹模型的模拟研究,确定了扩散氢的脆化机制是氢对位错形成具有抑制作用导致的。对于氢压的应力强度因子的理论表达式,通过比较各种FE模拟计算应力强度因子的方法,确定了位移法计算的适用性,而对于应力法与J积分法,由于氢压的作用位置不满足其使用前提,因此不适宜用于计算氢压的应力强度因子。最后,设计氢与外载的耦合装置,验证了新含氢断裂准则的合理性。设计实验使得试样内部产生的氢致裂纹在外载与氢的共同作用下形成,以模拟实际工程构件中氢致裂纹的扩展过程。对于不同的拉伸载荷,裂纹扩展需要的氢含量也不同。通过将含氢断裂准则应用于不同载荷下的氢致裂纹形成过程,以验证新准则的合理性与准确性。