课题来自“国家自然科学基金青年基金”项目。随着现代能源产业体系的构建,石油、天然气及其相关的石化能源产业成为国家的重大生命线。然而,石化设备所用的金属材料不可避免的产生各种各样的结构不连续现象。这些材料或结构的不连续成为氢的陷阱,使得局部氢浓度升高,进而造成裂纹等不可逆氢损伤。因此,对于既有的宏观缺陷,确定其在腐蚀环境中、工作载荷下的演化规律,发展符合实际工况的安全评定、寿命评估技术,确保设备安全服役成为了能源产业健康快速发展的迫切需求和关键所在。本文以工程中常用的45钢为研究对象,在模拟实际工作状态的环境中对缺陷部位的应力场分布进行实测。考虑氢腐蚀对应力状态的影响,通过理论分析和实验研究相结合,以氢致应力为指标,以硬度为手段,标定氢腐蚀与外加载荷作用下裂纹尖端应力场分布规律,构建了氢腐蚀-外加载荷耦合作用的裂尖应力场模型。并通过断裂韧性实验验证裂尖应力场模型的正确性。主要成果如下:(1)空气环境中,以仪器化硬度为手段,进行硬度与双向等轴表面应力场对应关系的研究。得到硬度与拉应力和压应力对应关系式。在考虑加工应力并进行塑性区修正后,实验应力曲线与理论应力曲线吻合较好。证明硬度可作为标定表面应力场的手段。(2)在获取氢含量与氢致应力关系的前提下,应用氢渗透理论和应力诱导氢扩散理论,对裂纹尖端氢致应力进行了理论推导,得到平面应力状态下的氢致应力表达式。以硬度为手段,测量外加载荷与氢腐蚀共同作用下裂尖应力场。通过理论应力与实验应力的对比得出,裂纹尖端应力场不是外加应力与氢致应力的简单叠加,而是耦合关系,计算裂尖心部应力场时应采用迭代计算的方法。经过迭代计算后,实验应力与推导应力吻合较好。(3)裂尖心部为最危险位置,在该部位裂尖的应力状态为典型的平面应变状态。由于裂纹心部应力场无法实测,因此在得到氢致应力与外载荷耦合关系的基础上,根据裂尖实际应力状态,得到平面应变状态下的氢致应力表达式。最后通过空气中与腐蚀环境中断裂韧性的实验结果,验证了该模型的正确性。