近年来,随着国内外天然气长输管道工程的发展,由于裂纹在管道上迅速扩展导致的长输管道破坏事故日益增多,特别是在高强韧性管线钢大规模投入使用的背景下,开展针对高强韧性管线钢裂纹扩展行为的研究十分必要。尽管国内外学者针对长输管道的力学性能、外部冲击响应等多个领域进行了深入研究,宏观尺度下的试验和模拟成果斐然,但是“材料变形及失效特性取决于材料的原子结构与微观结构”,宏观试验手段难以解释裂纹扩展过程中孔洞形核、原子粘结、位错产生以及原子空位缺陷等破坏现象,这就赋予了多尺度分析的研究意义。本文基于内聚力模型,结合分子动力学法和连续介质的有限元法,从断裂韧性试验和数值模拟两个角度在宏观、细观及微观三个尺度上对高强韧性输气管线钢裂纹扩展行为展开多尺度研究。(1)基于弹塑性断裂力学的J积分和裂纹尖端张开位移理论,实施准静态紧凑拉伸试样断裂韧性试验,采用单试样的载荷分离法对试验数据进行规则化处理,对获得的断裂韧性阻力曲线进行有效性判断后,确定X80管线钢母材包括非尺寸敏感的临界J积分JIc和临界裂纹尖端张开位移δIc在内的相关断裂韧性参量。(2)基于内聚力模型理论,编译三线型和指数型内聚力模型用户材料程序,调用ABAQUS内嵌的双线型内聚力模型和上述编译的VUMAT子程序,对X80管线钢母材断裂韧性试验过程进行数值模拟,通过将模拟结果与试验加载点力与位移响应曲线对比,建立了适合X80管线钢母材的内聚力模型。(3)对于原子尺度,利用分子动力学,模拟了具有Bagaryatskii位向关系的铁素体-珠光体两相界面I型中央穿透裂纹扩展行为。针对不同渗碳体终端平面结构的模型,分别提取了在裂纹扩展过程中界面处的张力位移曲线,获得了微观尺度下的相关内聚力参数。与此同时,从原子行为的角度,解释了裂纹扩展过程中空位形成、孔洞生长与聚集、原子粘结导致界面分裂的现象。(4)采用串行式多尺度分析方法,结合双线型内聚力模型,将原子尺度获得的内聚力参数成功自下而上传递至宏观和细观尺度。通过数值模拟加载点的支反力与位移响应曲线计算了不同尺度下铁素体-珠光体型管线钢的断裂韧性临界J积分JIc。同时,对于不同尺度下模型的尺寸效应也进行了简单的分析。通过多尺度的探索,研究将反映高强韧性输气管线钢深层断裂机理的原子尺度断裂参数成功地传递至宏观和细观尺度,打破了传统的仅仅凭借宏观观测手段评估断裂风险的限制,为长输天然气管道止裂技术的研发和断裂安全评定提供了新的思路。