工程中多采用堆焊技术用于强化结构材料的表面性能,抑或修复结构因服役而导致的失效部位。然而堆焊熔覆层与金属母材处力学属性的不连续,以及堆焊制造过程产生的结构损伤等问题,使承压堆焊结构的断裂分析变得复杂。因此,探索承压堆焊结构表面裂纹的扩展行为,实现已知裂纹在堆焊层及其基材扩展过程的断裂评价具有一定的理论难度和工程应用价值。本文综合运用理论分析、试验研究与数值仿真等手段对堆焊结构表面裂纹扩展行为进行研究。理论分析方面,由I、Ⅱ、Ⅲ型裂纹尖端的应力、应变场的基本推导,引出断裂问题的一般评价准则及亚临界裂纹扩展速率模型,并对内聚力损伤判据及其在弹塑性问题的适用性进行延伸。试验方面,阐述了堆焊表面裂纹拉伸SCT试样的设计、制备方法,制定并完成SCT试样疲劳扩展试验方案;试验发现表面裂纹能够穿透堆焊界面扩展至金属基材;基于试验数据拟合,获得了裂纹扩展速率计算公式。数值仿真方面,应用扩展有限元XFEM方法,对裂纹在均质、双材料有限板的亚临界扩展进行了模拟,其中双材料裂纹扩展方向区别于均质材料有从“硬”质材料向“软”质材料扩展的趋势,此外结合内聚力损伤判据,实现了对SCT试样单裂纹、多裂纹的三维断裂扩展分析。本文建立了承压堆焊结构表面裂纹扩展的全寿命预测联合仿真流程,并以加氢反应器为分析对象进行求解:在热-力耦合分析的基础上,应用Fe-safe确定裂纹萌生位置及萌生寿命;通过静态XFEM方法对不同位置、置入角度的亚临界裂纹进行应力强度因子求解,结合疲劳裂纹速率拟合公式实现了亚临界裂纹扩展寿命的计算;最后应用内聚力损伤判据及动态XFEM对裂纹的失稳扩展进行仿真。考虑到腐蚀介质及残余应力的作用,文末提出了腐蚀疲劳耦合计算的改进模型,同时对堆焊热源输入引起的承压结构残余应力进行定性分析。基于本文所建立的分析流程,能够实现对承压堆焊结构中裂纹萌生、亚临界扩展、失稳扩展的行为研究及理论寿命预报。