单晶锗是极其重要的半导体材料,在红外、航空天测控、核探测等领域都有广泛而重要的应用。但其本身具有硬度高、易碎,及其容易产生裂纹或脆断等不利于加工的特点。因此对单晶锗材料在超精密切削加工时裂纹的产生及扩展规律进行深入研究,进而抑制裂纹的产生及扩展行为,在提高表面质量和产品性能上具有重要的意义。论文选题来源于国家自然科学基金项目:“晶体锗红外光学硬脆材料微纳米尺度塑性切削力学机理研究(项目号:51765027)”。论文研究首先采用分子动力学仿真方法,模拟了不同切削深度、不同刀尖刃口半径和不同刀具前角下单晶锗的切削过程,提出突出变形区域,计算了该区域附近的应力变化,并分析了在切削过程中裂纹萌生的原因以及影响因素。另外同样采用分子动力学仿真方法,模拟了单晶锗材料预制裂纹在不同晶面、不同温度、不同预制裂纹长度以及同一晶面上的不同朝向受拉扩展的过程,计算了裂纹失稳开裂时的裂尖应力及裂纹扩展速度,分析了裂纹扩展的规律以及对裂纹扩展所产生影响的因素。结果表明,当切削深度达到一定时,出现突出变形区,且在该区域的原子间距变大,区域体积膨胀,与切削方向垂直的竖直方向上,应力状态表现为拉伸应力,在此作用之下,突出变形区附近的材料将产生微小裂纹,从而形成裂纹萌生区。在其他切削条件不变的情况下,适当增大刀尖刃口半径和刀具的负前角均有助于在切削过程中抑制突出变形区的产生、减小竖直方向拉应力的数值,从而抑制微裂纹的萌生。不同晶面和同晶面上的不同取向裂纹的扩展能力不同,(111)晶面上裂纹失稳扩展的裂尖应力更大,而裂纹在(110)晶面上扩展速度更快。随着温度的升高,裂纹开裂应力逐渐减小,裂纹扩展速度随之增大。预制裂纹长度的增长会降低裂纹的开裂应力,并提高裂纹的扩展速度。文章最后进行纳米压痕和纳米划痕实验,以及在扫描电子显微镜下观察材料压痕处与划痕处的表面微观形貌,通过改变加载载荷,分析了材料不同取向裂纹的产生及扩展情况;通过以刻划过程类比超精密切削过程的方法,分析了在刻划过程中,材料的脆塑转变过程以及不同刻划方向的裂纹产生和扩展情况。从实验层面表现了单晶锗材料明显的各向异性以及裂纹扩展的取向效应,并验证了仿真研究所得规律的正确性。以仿真和实验相结合的研究手段分析了单晶锗在超精密切削加工中裂纹的产生原因以及扩展行为。