Ensuring the long-term safety and performance of structural materials innuclear power plants is increasingly important as global energy demand risesand Sweden pursues its goal of a 100 % fossil-free electricity supply by 2040.Since existing reactors are approaching or exceeding their original design life,life-extension programs have become essential. This context underscores theneed for reliable constitutive models of ductile fracture under complex loadingconditions, as structural integrity must be ensured over extended serviceperiods.

Ductile failure is governed by the nucleation, growth, and coalescence of voids,and is strongly influenced by the prevailing stress state and intrinsic materiallength scales. To address these challenges, this thesis developed and appliednumerical and constitutive modeling techniques to characterize plastichardening beyond the peak load and to predict ductile fracture up to final failure.An Inverse Finite Interval (IFI) method based on finite element modeling wasproposed to identify the true stress-strain response in the post-peak regime. Bycombining a Voce-type extrapolation function with a controlled geometricdisturbance, the method overcomes the optical and measuring limitations of theBridgman correction method. Validation against both synthetic data andexperiments on multiple steel grades confirmed its accuracy, robustness, andbroad applicability.

A non-local Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model was formulated tocapture fracture mechanisms across a wide range of triaxialities. The modelincorporated shear-enhanced damage evolution and introduced twocharacteristic length scales: one associated with dilatational void growth under high stress triaxiality, and another linked to shear-driven localization at lowtriaxiality. Damage evolution was regularized through a non-local integralapproach, ensuring mesh-independent finite element predictions. Numericalstudies and experimental calibration demonstrated that separating these lengthscales is essential for reproducing mixed-mode fracture processes, such as crackbranching and the transition from normal to shear-dominated failure.

To investigate size effects, round and square smooth bar specimens were testedin uniaxial tension. Standard specimens exhibited classical cup-cone fractures,whereas smaller specimens with dimensions approaching the size of the fractureprocess zone showed cup-cup and shear-dominated fractures, respectively. Thelatter resulted from constrained void growth, premature coalescence, and finalfailure characterized by abrupt edge rupture of thin walls or ligaments near thefree surface, thereby highlighting size-dependent fracture mechanisms.

In conclusion, this thesis contributes to a mechanistic understanding of materialbehavior when experiencing ductile failure and provides a foundation for futuredevelopments in ductile fracture modeling, especially in complex stress states.While the proposed IFI method offers a reliable framework for determiningplastic flow properties, the non-local GTN model establishes an initialfoundation for modeling complex fracture processes in structural materials.Limitations remain in simultaneously predicting global load-deformationresponses and fracture modes using physically motivated parameters, pointingto the need for further refinement through more sophisticated formulations.The results provide both methodological advances and physical insights withdirect relevance for safety assessments and life-extension strategies in nuclearpower plants, where aged materials are subjected to demanding serviceconditions.

Att säkerställa långsiktig säkerhet och prestanda hos konstruktionsmaterial ikärnkraftverk blir allt viktigare i takt med att det ökande energibehovet ochSveriges mål om en 100 % fossilfri elförsörjning till år 2040. Eftersom befintligareaktorer närmar sig eller redan har överskridit sin ursprungligadesignlivslängd har livstidsförlängningsprogram blivit nödvändiga. Dettaunderstryker behovet av tillförlitliga konstitutiva modeller för segt brott underkomplexa belastningstillstånd, då den strukturella integriteten behöverupprätthållas under förlängda driftperioder.

Segt brott styrs av kärnbildning, tillväxt och sammanväxning av hålrum ochpåverkas starkt av det rådande spänningstillståndet och materialetskarakteristiska längdskalor. För att bemöta dessa utmaningar har dennaavhandling utvecklat och tillämpat numeriska och konstitutivamodelleringsmetoder för att karakterisera plastiskt hårdnande bortom maxlastoch för att prediktera segt brott fram till slutligt haveri.

En ”Inverse Finite Interval” (IFI)-metod baserad på finita elementmetoden harutvecklats för att utvärdera den sanna spännings-töjningskurvan från ettenaxligt dragprov. Genom att kombinera en extrapolationsfunktion av Voce-typmed en kontrollerad geometrisk störning kan optiska och mätmässigabegränsningarna hos Bridgman-korrektionsmetoden undvikas. Validering motbåde syntetiska data och experiment på flera stålsorter bekräftade metodensnoggrannhet, robusthet och breda användbarhet.

En icke-lokal Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)-modell har utvecklats föratt fånga brottmekanismer över ett brett spektrum av spänningstillstånd.Modellen inkluderar skjuvförstärkt skadeutveckling och introducerar två karakteristiska längdskalor: en som är proportionell mot volymplastisk töjningsom beskriver en tillväxtdominerade brottmod; samt en proportionell mot enformförändrande plastisk töjning som representerar skjuvningslokaliseradebrottmoder. Skadeutvecklingen regulariseras genom en icke-lokalintegralansats som säkerställer element-nät-oberoende numeriskasimuleringar. Numeriska studier och experimentella kalibreringar visade attuppdelningen i två längdskalor är avgörande för att reproducera blandadebrottsprocesser, såsom sprickförgrening och övergången från normala tillskjuvdominerade brottmoder.

För att undersöka storlekseffekter testades provstavar med cirkulära ochkvadratiska tvärsnitt under axiell dragning. Standardproven uppvisadeklassiska cup-cone-brott, medan prover med dimensioner i storleksordningenav samma storleksordning som brottzonen visade cup-cup och skjuvdominerandebrott. Dessa brottmoden orsakades av begränsad hålrumstillväxt,förtida sammanväxning samt ett slutligt brott kännetecknat av plötsligkantfraktur i tunna väggar eller ligament nära den fria ytan, vilket tydligt påvisarstorleksberoende brottmekanismer.

Sammanfattningsvis bidrar denna avhandling till en mer mekanistiskt grundadförståelse av materialbeteende i området efter max last och utgör en bas förframtida utveckling av modeller för segt brott, särskilt under komplexaspänningstillstånd. Den föreslagna IFI-metoden erbjuder ett tillförlitligt verktygför att bestämma plastiska materialegenskaper, medan den icke-lokala GTNmodellenetablerar ett initialt ramverk för att modellera komplexabrottsprocesser i konstruktionsmaterial. Begränsningar kvarstår i att samtidigtprediktera globala last-deformationsresponser och brottmoder med fysikalisktmotiverade parametrar, vilket understryker behovet av vidareutveckling genommer sofistikerade modeller. Resultaten ger både metodologiska framsteg ochnya fysikaliska insikter med direkt relevans för säkerhetsbedömningar ochlivstidsförlängningsstrategier i kärnkraftverk, där åldrade material utsätts förkrävande driftförhållanden.

在全球能源需求不断增长，以及瑞典力争于2040 年实现100%无化石燃料电力供应的背景下，确保核电站结构材料的长期安全与服役性能保障显得尤为重要。由于瑞典现有反应堆逐渐接近或已经超过其原始设计寿命，寿命延长计划已成为必要措施。在这一背景下，亟需在复杂载荷条件下建立可靠的延性断裂本构模型，以保证核电站在长期服役周期内的结构完整性。

延性破坏主要由空洞的形核、长大与聚合控制，其演化过程受应力状态及材料特征长度尺度的显著影响。针对上述挑战，本论文发展并应用了数值模拟与本构建方法，用于表征峰值载荷之后的塑性硬化行为，并预测直至最终破坏的延性断裂过程。

本文提出了一种基于有限元分析的逆有限区间（Inverse FiniteInterval, IFI）方法，用于识别峰后阶段的真实应力-应变关系。通过将Voce 型外推函数与受控几何扰动相结合，该方法有效地克服了传统Bridgman 修正法在光学测量方面的局限。该方法在多种钢材等级上的数值数据与实验对比验证表明，其具有较高的精确度、稳健性与广泛适用性。

此外，本文建立了一种非局部Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN)模型，以描述不同三轴应力条件下的断裂机理。该模型引入了剪切增强的损伤演化机制，并提出了两类特征长度尺度：一类对应于高三轴应力下的空洞体积膨胀，另一类对应于低三轴应力下的剪切局部化。通过非局部积分方法对损伤演化过程进行正则化，保证了有限元模拟的网格无关性。数值研究与实验标定表明，区分这两个特征尺度对于再现实验中的混合断裂过程（如裂纹分叉及由正断裂向剪切断裂的转变）至关重要。

为研究尺寸效应，本文对圆形和方形的光滑棒（Round 和SquareSmooth Bar）试样进行了单轴拉伸实验，揭示了试样延性断裂过程中的尺度效应。结果显示，标准试样呈现典型的杯锥型断裂，而尺寸接近材料特征长度的较小试样则表现为杯杯型和剪切断裂。后者是由于空洞受限长大、提前聚合以及最终破裂所致，其特征为自由表面附近薄壁或韧带的突然边缘断裂，从而突出了断裂机理的尺寸依赖性。

综上所述，本论文对材料在延性破坏过程中的力学行为进行了机理层面的探讨，并为复杂应力状态下延性断裂建模提供了基础。所提出的IFI 方法为获得塑性流动特性提供了可靠框架，而非局部GTN模型则为结构材料复杂断裂过程的建模奠定了初步基础。然而，在利用物理驱动参数同时预测整体载荷–变形响应与断裂模式时，该方法仍存在局限，亟需通过更复杂的表述进一步改进。该研究结果不仅在方法和物理机理上有所突破，也对核电站安全评估与寿命延长策略具有直接意义，尤其是在老化材料面临苛刻服役条件的背景下。