随着微纳米加工技术的不断发展,单晶锗等脆性材料在红外光学、微机电系统等高科技领域的应用日益广泛,这些领域对材料的表面加工精度已经达到了纳米量级,这就需要超精密的加工理论和方法作为支撑。在纳米加工过程中,为了使单晶锗等脆性材料以塑性切削的方式去除从而获得高质量的光学表面,其关键是控制条件实现脆塑转变,这往往需要把切削深度控制在纳米量级。由于单晶锗是硬脆材料并存在各向异性,确定脆塑转变临界切削厚度对实现脆塑转变从而切削出一致光滑的表面至关重要。但单晶锗等脆性材料的塑性域切削一直没有形成统一的理论认识和加工方法。本文借助分子动力学仿真、纳米压痕和划痕实验及理论分析等方法研究了单晶锗不同晶面在切削过程中的塑性域切削机理。通过对单晶锗脆塑转变机理的研究,获取了单晶锗脆塑转变临界切削深度。这对于深入理解单晶锗等脆性材料纳米切削机理具有重要的理论意义和实用价值。首先对单晶锗(100)、(110)和(111)晶面进行纳米压痕仿真和实验研究。并建立了压痕仿真模型。对不同晶面的微观变形机理和力学特性进行了深入探究。研究结果表明:单晶锗(111)晶面相比于其它晶面具有较小的弹性模量和硬度值,这种现象实验和仿真结论基本一致。随着压入深度增加,单晶锗各晶面的硬度与弹性模量都表现出尺寸效应现象,并且在加载和卸载过程中有突进和突退现象发生,划分了单晶锗在不同加载深度下对应的不同变形阶段。其次,对单晶锗不同晶面进行变深度切削的分子动力学仿真,并建立了变深度切削模型,通过对仿真切削过程中切屑的形成和切削力的变化分析得到了单晶锗弹性变形和塑性去除的两个不同阶段,并得到了弹塑性转变的临界切削厚度和切削力,(100)晶面发生弹性变形和塑性切削的临界切削厚度和切削力分别为0.48nm和42nN。然后研究了不同的切削速度、切削厚度、切削晶面和刀具前角等加工参数对单晶锗弹塑性变形和表面质量的影响,从去除方式、原子变化、势能和切削力变化的角度分析,得出了不同切削参数对单晶锗内部结构变形和表面质量的影响机制,以及不同晶面的各向异性差异。最后,通过单晶锗纳米刻划实验,确定了单晶锗脆塑转变的临界切削深度和范围及变化规律,并对切削过程中的影响因素进行了分析。同时针对单晶锗刻划中的各向异性现象进行了不同晶面的刻划实验,总结脆塑转变临界切削深度的各向异性。并对单晶锗脆塑转变临界切削深度进行了理论预测。结果表明:(100)晶面因其具有最小表面密度、最深脆塑转变深度,在划痕过程中发生脆塑转变最晚,而且随着划痕速度的增加,脆塑转变临界深度和临界载荷也相应增加。