蓝宝石单晶(α-Al2O3)具有卓越的物理化学性能、制造成本较低、易获取等诸多无法替代的优异特性被广泛应用于航空航天、武器装备、固态照明、智能显示等诸多领域,成为制作军用和民用高科技产品的宝贵材料。蓝宝石材料制作的器件不易受到交变载荷和温度的影响,其工况较为恶劣,故器件性能和使用寿命与工件的表面加工质量息息相关。由于蓝宝石硬脆性较大,是一种具有代表性的难加工材料。传统游离磨料加工蓝宝石,加工路线长、工艺成本高,很难高效获得优质的机械加工表面。固结磨料技术通过基体材料把磨粒固结,有效提高磨料加工的工艺可控性,仅切除工件表面凸起部分,以较小的材料去除量获得优质加工表面。在蓝宝石加工的关键工序,采用固结磨料研磨能高效获得良好的加工效果,且加工过程无污染。研磨工序可大幅减少前道切片工序的表面/亚表面损伤,同时也决定了后续抛光时间和成本,在蓝宝石加工中具有重要地位。合理确定固结磨料研磨蓝宝石亚表面损伤,是制定和优化研磨工艺参数的重要依据。为了揭示蓝宝石亚表面损伤产生机理,合理确定亚表面损伤,本文主要开展了以下几个方面的工作。(1)针对金刚石固结磨料垫的结构特点,依据压痕断裂力学理论,建立蓝宝石亚表面裂纹的理论模型。结果表明,蓝宝石亚表面裂纹长度和磨粒切入深度线性相关。进一步构建固结磨料研磨蓝宝石过程中的磨粒切深模型,发现磨粒的平均切入深度与磨料粒径大小具有定量的映射关系。(2)为了分析固结磨料的切入深度对蓝宝石亚表面损伤程度的影响规律。采用离散元模拟技术,建立蓝宝石的离散元模型,仿真固结磨料对材料研磨的动态过程,分析载荷作用下材料单元颗粒间裂纹的产生和扩展规律。结果表明,随着磨料粒径的增大,蓝宝石亚表面损伤的裂纹深度和数量(密集程度)也相应增加。(3)借助化学腐蚀法,开展固结磨料研磨蓝宝石亚表面损伤的实验研究。为了提高工件腐蚀的均匀性,利用两点法设计了专用陶瓷夹具,有效提升了实验精确度。同时,采用专用夹具对不同粒度金刚石固结垫研磨的蓝宝石进行腐蚀测试,发现磨料粒径的增大直接导致亚表面损伤层增加。(4)对比腐蚀实验和离散元仿真预测结果基本一致,验证了预测模型的可靠性。因此,采用离散元法可以快速有效地预测固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面损伤层的裂纹数量和深度,为研磨工艺参数的优化提供指导。