中文摘要：

光学硬脆材料磨削亚表面裂纹生成机理是光学制造领域的重要基础性科学问题之一。光学玻璃等硬脆材料磨削中会引入微裂纹等亚表面损伤，对光学系统性能造成极大影响甚至破坏，因此减少磨削造成的微裂纹等亚表面损伤对提高光学元件的表面质量和加工效率具有重要意义。现有关于光学玻璃磨削机理及亚表面裂纹的研究都是基于压痕断裂力学和静态加载条件，没有考虑磨削过程中砂轮磨粒高速动态冲击效应的影响。本项目通过理论分析和实验研究光学玻璃在单颗磨粒动态冲击作用下的破坏行为，探索亚表面裂纹生成机理，研究材料在多磨粒冲击耦合及应力波叠加作用下的破坏机制，以及磨削条件对亚表面裂纹生成的影响规律，建立基于磨粒动态冲击效应的光学玻璃磨削亚表面裂纹生成及材料去除的新理论模型，并提出抑制亚表面裂纹生成的措施，为提高光学玻璃等硬脆材料的磨削表面质量提供理论依据。该研究成果对硬脆材料精密超精密加工有普遍意义，具有重要的理论与工程应用价值。

结论摘要：

硬脆光学材料磨削亚表面裂纹生成机理是光学制造领域的重要基础性科学问题之一。光学玻璃等硬脆材料磨削中会引入微裂纹等亚表面损伤，对光学系统性能造成极大影响甚至破坏，因此减少磨削造成的微裂纹等亚表面损伤对提高光学元件的表面质量和加工效率具有重要意义。本项目针对K9玻璃的材料去除及微裂纹生成机理，开展了纳米刻划实验、霍普金森压杆实验、单颗磨粒刻划实验、单颗磨粒磨削有限元仿真、磨粒动态冲击效应机理及数值仿真、单颗磨粒动态冲击实验、K9玻璃磨削亚表面裂纹深度预测等系列研究，取得如下研究结果: 1.采用Berkovich压头进行了K9玻璃变切深纳米刻划试验。以裂纹刚开始萌生作为脆塑转变点，获得脆塑转变的临界深度为889nm。 2.通过霍普金森压杆冲击、单颗磨粒刻划和磨削实验，研究了应变率对亚表面裂纹深度的影响。霍普金森冲击实验表明，子弹速度的提高能增大应变率，试件破碎形式有明显的粉末化趋势。随着应变率的提高，裂纹长度减小。单颗磨粒刻划实验表明，随着应变率的增加，径向裂纹深度、横向裂纹深度和法向刻划力均呈减小趋势。磨削实验表明，随着磨削速度的提高，材料应变率增大，最大裂纹长度、表面粗糙度和法向磨削力均呈下降趋势。 3.单颗磨粒磨削的有限元仿真表明，随着磨粒速度的提高，亚表面裂纹深度减小，与实验结果一致。 4.通过磨粒动态冲击效应机理研究，建立了单颗磨粒动态冲击效应固体动力学模型以及应力强度因子模型，并对磨粒动态冲击作用进行了数值仿真，结果表明随着磨粒速度和磨粒作用时间的增大，应力波强度变大，最大拉应力值也随之增大；磨粒速度增大同时导致应力强度因子变大，亚表面裂纹深度值减小。 5.通过K9玻璃直线低速刻划实验，研究了表面/亚表面形貌，结果表明玻璃的碎裂是间断的且呈微小块状去除，表面形成贝壳状断裂。 6.通过单颗磨粒磨削参数协同实验，对磨粒动态冲击作用机理进行了研究，结果表明随着磨削速度增大，亚表面裂纹最大深度减小，与磨削实验结果一致。 7.建立了K9玻璃磨削亚表面损伤深度预测模型，模型预测值与实验值一致性较好。本项目理论研究和实验结果表明，K9玻璃材料在磨削过程中，磨粒的动态冲击效应是亚表面裂纹生成的重要影响因素。随着磨粒速度增大，导致玻璃材料的应变率增大，亚表面裂纹深度减小。该研究成果对硬脆材料的精密和超精密加工具有重要的理论意义和工程应用价值。