随着对能源需求的不断增加,油气长输管道建设规模逐步扩大,我国已经成为X80等高强管线钢铺设里程最长的国家。由于高钢级管道的氢脆敏感性强,在管道承受多种形式的疲劳载荷时,氢原子向钢材微观裂纹尖端的塑性区聚集会严重威胁管道的安全运行。因此,研究管线钢中氢原子对疲劳塑性区的影响机理及塑性区对疲劳裂纹扩展的影响,对研究高强钢管道的微观失效机理具有重要意义。本文通过分子动力学模拟与理论分析相结合的方法,研究了不同氢浓度下裂纹尖端的几何变形行为,分析氢原子聚集过程和裂尖应力分布的变化情况,研究了氢浓度对塑性变形区尺寸的影响,同时量化了塑性变形区的尺寸与疲劳裂纹扩展之间的关系。本文的研究结果揭示了管线钢的氢致失效机理,且为管道氢致开裂相关的剩余寿命预测提供基础。本文主要工作如下:（1）使用C语言编写程序构造了两个晶体取向不同的预制单边钝型裂纹的体心立方结构的单晶α-Fe模型,运用LAMMPS软件进行分子动力学模拟,对单向拉伸过程中裂纹尖端的塑性变形及裂纹扩展行为进行了研究。研究表明不同晶体取向的裂纹尖端位错发射行为存在差异,即裂纹尖端的塑性变形呈现各向异性。（2）使用分子动力学模拟研究了不同氢原子浓度下裂纹尖端在循环加载过程中的微观结构演化、氢原子聚集行为以及应力分布情况。随着氢浓度的增加,裂纹尖端几何形貌变化越明显,裂尖的锐化效应越显著,且应力集中程度越高。塑性变形区内的应力变化结果表明裂纹尖端的塑性变形量随着氢浓度的增加而降低,据此提出了氢原子在裂纹尖端聚集并压缩塑性变形区的理论,并且得到一个指数形式的压缩因子（?）来量化该压缩效应,弥补了氢致局部塑性变形机理的局限性。（3）基于氢原子在塑性变形区应力场中的扩散动力学理论,推导了氢原子在裂纹尖端塑性区内的积累模型,进而导出基于氢致解离机理的疲劳裂纹扩展速率模型。通过量化的压缩因子及X100钢的实验数据对模型进行了修正,得到用于预测管线钢氢致裂纹扩展的模型,结果表明引入α值的塑性区尺寸与实验数据更吻合,验证了氢原子压缩塑性区的理论,通过验证塑性区的压缩特性对裂纹扩展的加速作用揭示了管线钢的微观断裂失效机理。