目前,随着先进加工制造技术的快速发展,硬脆材料得以在各高精尖领域广泛应用,尤其是非金属非导电材料及半导体等,在光学、电学、航天、国防及民用工业等领域越来越普及应用,并占据着非常重要的地位。硬度、杨氏模量及断裂韧性等作为反映材料力学性能的基本参数成为本文研究的重点,对硬脆材料各项力学性能进行合理的预测是本文研究的落脚点。为了研究及预测硬脆材料加工表层力学性能,本文主要做的工作有:以单晶硅为例,通过离子注入改性制备样件,构建了具有不同损伤特性的硬脆材料加工表面/亚表面损伤模型;通过纳米压痕测试获得了各样件的表层力学性能;利用X射线衍射(XRD)对改性后样件表层物相进行了分析,研究了改性后样件表层力学性能变化机理;基于ABAQUS仿真软件对材料硬度和断裂韧性进行了仿真预测,并从仿真的角度研究了杨氏模量、泊松比及最大主应力对材料断裂韧性的影响。通过大量的理论分析和实验仿真验证,本文主要研究成果如下:(1)通过离子注入改性,以单晶硅为例,构建了具有不同表层力学性能的硬脆材料加工表面/亚表面损伤模型,并借助纳米压痕试验和X射线衍射(XRD),对各样件力学性能进行了研究,结果表明各样件达到了预期损伤引入改性的效果,各样件表层力学性能有了不同的改变,成功构建了硬脆材料加工表面/亚表面损伤模型。(2)基于ABAQUS对材料的硬度进行了仿真预测,仿真结果同实验测得的实际结果较为吻合,验证了所建立的硬度仿真预测模型的正确性和有效性。(3)基于ABAQUS仿真软件中的XFEM模块,结合材料模型及外推法,对样件的断裂韧性进行了仿真预测。单晶硅0号样件的预测值与实际数据吻合,说明本断裂韧性预报模型的有效性。(4)借助断裂韧性仿真预报模型,利用控制变量法,分别研究了杨氏模量、泊松比及最大主应力对材料断裂韧性的影响,发现:杨氏模量与材料断裂韧性无关;泊松比对断裂韧性仅有有限的影响;最大主应力是影响材料断裂韧性的主要因素,二者之间呈直线正向变化的关系。