钛合金（Ti6Al4V）是一种重要的工程材料，具有优异的综合力学性能。然而，钛合金较差的切削加工性及较低的材料利用率严重制约了其在工业领域的应用。增材制造（AM, additive manufacturing）工艺可以直接从原料制备零件，恰好克服了钛合金的加工难题。激光粉末床熔融（LPBF, laser powder bed fusion），也称选区激光熔化，是最常用的金属AM技术之一。极端服役环境、巨大的结构尺寸差异等外部因素对AM部件的断裂性能具有显著的调控作用。然而，与AM Ti6Al4V相关的断裂机理与性能预测模型研究较少。因此，本文以LPBF Ti6Al4V合金为研究对象，通过宏微观实验、有限元模拟和断裂相场理论研究了温度与试样尺寸这两个关键因素对其断裂行为的影响。

首先，研究了温度对LPBF Ti6Al4V准静态拉伸和断裂行为的影响。通过LPBF工艺制造出相对密度为99.33%的Ti6Al4V试样，初始微结构观测结果表明LPBF Ti6Al4V合金的微观组织呈现显著的各向异性特征。室温下，LPBF Ti6Al4V的断裂韧性与传统锻造钛合金相当，但其拉伸性能显著提升。在123 K–293 K范围内，随温度降低，拉伸强度提高，断裂韧性降低。温度还会改变材料的断裂模式，室温下LPBF Ti6Al4V呈现韧性断裂模式，低温下呈现韧–脆混合断裂模式。通过弹塑性有限元模拟分析了裂纹尖端塑性区尺寸的变化，揭示了温度对材料断裂行为的影响机制。随温度降低，裂纹尖端塑性区减小，塑性能量耗散减少，材料的断裂韧性降低。

其次，基于紧凑拉伸试样，开展不同几何尺寸下的断裂实验，以研究试样尺寸对LPBF Ti6Al4V断裂行为的影响。实验结果表明：随裂纹长度增加，断裂韧性降低。由于LPBF制造缺陷和试样断裂机制的变化，断裂韧性随试样厚度的变化表现出较大的波动。不同于传统铸造Ti6Al4V合金的粗糙刻面断裂起源，LPBF Ti6Al4V合金中带二次裂纹的光滑刻面、气孔和未熔合缺陷都是可能的裂纹起源。通过线弹性K–T方法研究了LPBF Ti6Al4V断裂行为的约束效应。面内约束表征表明：T11应力与应力强度因子或加载成反比关系，T11应力越高，应力强度因子越低，结构抗断裂能力下降。建立了表观断裂韧性与归一化T11应力之间的转换方程，可用于具有不同裂纹长度试样的断裂韧性换算。T33应力与裂纹尖端ε33应变具有相似的变化关系，说明应分别考虑面内和面外约束。此外，通过弹塑性J–Q方法进一步分析了裂纹长度的影响机制。

最后，基于断裂相场模型研究温度、裂纹长度及试样厚度对LPBF Ti6Al4V合金断裂行为的影响。结果表明：仅使用一组参数，弹塑性相场模型可以很好地捕捉不同约束试样的峰值载荷和峰值后软化状态。弹性相场模型也可用于评估弹塑性材料的峰值载荷。将温度的影响纳入相场模型计算框架，可直接预测不同温度下LPBF Ti6Al4V的断裂韧性。此外，裂纹尖端的颈缩效应和裂纹扩展形态也可通过相场模型重构。弹塑性相场模型可以准确有效地预测试样表面裂纹的形核、扩展甚至分叉现象。

本论文的研究工作一方面为AM钛合金的工程应用提供了有效的断裂韧性数据，另一方面，对于AM钛合金的多场耦合应用探索和跨尺度断裂行为分析奠定了基础。