蓝宝石作为一种先进的功能材料,具有优异的物理性能及化学稳定性,被广泛应用于航空航天、光学和医疗等多个领域。然而,蓝宝石无论是在加工过程中还是在其零件的服役期间,都可能受到不同条件下的载荷作用而发生断裂。蓝宝石的断裂过程可分为裂纹形核、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段。因此,研究在不同加载环境下蓝宝石的裂纹产生与裂纹扩展,对指导蓝宝石加工工艺参数的优化、改善蓝宝石零件在不同场合下的工作性能具有重要参考意义。本文对A面、C面、M面和R面蓝宝石分别进行了准静态加载、低频(20Hz)循环冲击加载、中频(200 Hz)循环冲击加载和高频(20000 Hz)循环冲击加载试验,通过压痕力学模型的建立、力信号的分析和压痕形貌的观察对不同晶面蓝宝石压痕表面的裂纹产生与裂纹扩展进行研究。首先,基于球形压头与蓝宝石试样的接触模型,建立了球形压痕过程的力学模型用来预测四种晶面蓝宝石分别产生径向裂纹时的临界载荷。通过准静态加载试验的结果验证了力学模型的准确性。其次,对四种晶面蓝宝石进行了低频和中频循环冲击加载试验,与准静态加载试验结果对比,发现各晶面蓝宝石产生径向裂纹时的临界载荷大小受加载频率的影响。就M面蓝宝石而言,加载频率对力学模型接触公式使用可靠性的影响最大,而加载频率的增加导致力学模型预测各晶面蓝宝石的径向裂纹临界载荷的准确性均降低。最后,对四种晶面蓝宝石进行了高频循环冲击加载试验,发现各晶面蓝宝石的响应大致可以分为两个阶段完成:破坏阶段和疲劳阶段。四种晶面蓝宝石压痕表面裂纹的扩展方向不受加载频率的影响,裂纹沿相应的滑移系统方向扩展,由此对R面蓝宝石的裂纹扩展机理提出新的解释。高频循环冲击后各晶面蓝宝石的表面形貌特征受裂纹扩展的影响而产生较大的差异。R面蓝宝石产生圆锥形裂纹,使得其残余表面呈凸形且是平坦的,而A面、C面和M面蓝宝石相对于R面蓝宝石具有更好的塑性变形能力。