超精密加工技术是机械制造中的前沿和热点研究领域,在航空航天、武器装备、能源和医疗等方面显示出了重要的应用前景和战略价值。微切削技术是采用微小型刀具实现超精密加工的一种切削方式,具有加工效率高、工件材料多样、可加工复杂形状等特点。然而,随着被加工工件尺寸的减小,材料物理性质、失效破坏机制等因素的改变给微切削领域带来了新的挑战,而掌握微小零件的失效行为是实现其设计制造的重要基础。微细尺度下,材料的性能往往体现出很强的时间和空间多尺度效应,例如:被加工工件出现的原子振动、蠕变、位错塞积、裂纹扩展以至于晶面解理等问题。因此,要从本质上把握器件的失效规律,揭示材料尺寸效应的内在机制,必须从根源上研究微零件失效行为在时间和空间上的多尺度特征。由于尺度效应的存在,传统宏观分析手段不能直接沿用至微切削领域当中,常用的分子模拟技术也通常会受到仿真规模的限制。因此,构建新的仿真模型,对评价已加工表面与亚表面质量并揭示其内部微缺陷的形成与演变规律有着重要的理论价值和实际意义。针对上述系列问题,本文依据位错理论、晶体塑性理论和材料微观力学理论等,探究了工件在微切削时的微观组织转变机制以及金刚石刀具的失效行为,主要包括以下几方面内容:基于位错理论,获取了位错演变的控制方程,建立了离散位错动力学仿真模型。揭示了位错单元的增殖、移动、耦合等交互作用机制,阐释了位错偶极子在演变过程中的滑移、攀移及湮灭等行为,探究了位错结构的塞积与交割等特征,将三维(3D)位错演变过程融入到了二维(2D)平面仿真中。自主开发了位错动力学仿真软件,为揭示微切削中材料的微结构演变机制奠定基础。搭建了单晶硅微切削实验的物理检测平台,研究了微切削工艺参数对硅晶体被加工表面形貌的影响。采用由下至上的分析手段,模拟了硅晶体内部线性缺陷在纳秒时间域及微米空间域下的成核与移动过程。揭示了单晶硅在瞬态和连续性冲击载荷作用下的位错演变规律,获取了硅晶体在脆性切削模式下的损伤机理。提出了基于离散位错动力学与连续介质力学的多尺度耦合仿真方法。模拟了钛合金晶粒在微切削时的结构转变过程,研究了晶粒细化对材料力学性能的重要作用。探索了工件亚表面损伤层的形成与演变机制,定量地阐释了介观尺度下的位错与微观内应力分布特征。建立了基于位错密度的应变梯度模型,研究了模型参数选择对仿真结果的影响。利用X射线衍射技术(XRD),从工件微观内应力极值变化的角度与位错动力学仿真结果进行了定性对比。阐释了聚晶金刚石(PCD)微刀具在微切削钛合金过程中的破损、失效行为,获取了刀具几何结构变化对工件表面质量的影响。将亚表面损伤层微结构特征作为微刀具切削性能评价的重要指标,探究了刃口钝圆半径、前角、后角等参数变化对工件亚表面损伤层深度及位错分布状态的重要影响。提出了位错动力学与物理基材料塑性模型联合计算方法。利用3D位错模拟技术揭示了工件在高应变速率载荷作用下的位错增殖与湮灭进程,准确地求解出模型中与位错演变相关的内禀常数。将切削过程中材料的晶粒尺寸与位错密度作为本构方程的特征变量,揭示了复杂工况下切屑及工件表面晶粒细化机理,并予以验证。