【摘 要】
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单晶蓝宝石由于其优异的光学特性和耐磨性,被广泛应用于光学器件、显示屏幕等精密设备中,而固有脆性对其服役可靠性的消极影响,使得蓝宝石的力学行为（性能）备受关注。高硬度、高脆性以及各向异性等特征,令蓝宝石的力学研究难以通过宏观常规方法有效开展。因此本文采用纳米压痕测试与有限元仿真,分别对单晶蓝宝石的A面（1120）、C面（0001）、R面（1102）与M面（1010）进行表面微力学行为（性能）分析。主
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单晶蓝宝石由于其优异的光学特性和耐磨性,被广泛应用于光学器件、显示屏幕等精密设备中,而固有脆性对其服役可靠性的消极影响,使得蓝宝石的力学行为（性能）备受关注。高硬度、高脆性以及各向异性等特征,令蓝宝石的力学研究难以通过宏观常规方法有效开展。因此本文采用纳米压痕测试与有限元仿真,分别对单晶蓝宝石的A面（1120）、C面（0001）、R面（1102）与M面（1010）进行表面微力学行为（性能）分析。主要研究内容如下:（1）分别以单晶蓝宝石A、C、R与M晶面为研究对象,对其表面微观力学行为（性能）进行研究。具体过程是:分别在20、50、80、110、150、170、200mN载荷水平上对试样进行纳米压痕试验,每个载荷下均在试样表面数个不同位置完成压入以获得各次试验的载荷位移曲线（P-h曲线）。利用Oliver-Pharr模型获得试样的微观硬度H、弹性模量E,以及塑性功Wp和塑性功占比η等值,在此基础上对各晶面的微观压入机制进行探究。结果表明:相同晶面加载段曲线高度重合。通过对各晶面的硬度分析发现A面具有最大的硬度为28.452 GPa,C面次之为24.252 GPa,R面与M面硬度相仿约为22.5 GPa左右,弹性模量展现出与硬度一致的大小关系。实验数据显示A、C、R、M面的弹性模量值分别为537.96 GPa,473.12 GPa,409.38 GPa与404.82 GPa。接触刚度值随载荷力增加在逐渐增加且各晶面下增加率不同,C面相较于其他晶面具有更大的变化率。此外对于残余深度/最大载荷与最大压深关系之间的分析显示它们呈现明显的正比例关系,不同晶面比例系数α不同,C面相较于其余各面具有最大的比例关系系数。（2）基于ABAQUS有限元平台,应用量纲分析理论对纳米压入过程进行数值模拟,使用反演法获得纳米压入行为对屈服强度Y和硬化指数n的依赖关系,据此建立不同晶面纳米压入行为的本构方程。结果显示:A面与C面具有较大的屈服强度值与加工硬化指数值,分别为1240 MPa,0.6与1203 MPa,0.61;R面与M面的屈服强度值与加工硬化指数值分别为1165 MPa,0.58与1107 MPa,0.55。此外在不同压深下的应力云图中观察到明显的应力集中现象与应力场发生的变化,仿真结果表明在压深为0.3 μm、0.4 μm与0.5 μm时压头尖端最大应力分别为1397 MPa、1660 MPa与1898MPa。采用有限元技术与量纲分析理论（Cheng-Cheng模型）相结合的方法建立具有普适性的P-h本构函数,并用与实测曲线对比验证方法的有效性。函数显示不同晶面的加载曲线可用同一个本构方程表示,而卸载曲线则因各晶面残余深度与最大压深的比值不同需用不同的方程来表达。
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