激光加工中,不同温度下单晶硅可表现出脆性和塑性。单晶硅的断裂特性随温度改变,传统的断裂力学方法不能内在表达温度带来的变化。此外,单晶硅不但经受准静态力学作用,还有激光引致冲击。激光冲击造成的晶体损伤超出了断裂力学的研究范畴。变化的材料物性和复杂的载荷环境,造成激光加工单晶硅损伤机理的多样性。控制激光加工中的微尺度损伤,需要深入理解损伤产生的机理。目前存在的主要问题有:1)对于激光加工中微尺度断裂的起始,基于连续介质理论的断裂模型缺乏物理基础,主要表现为微尺度信息需要在断裂模型中表达;2)激光加工中温度变化范围大,材料内部的断裂现象难以用一种断裂理论来描述。此外,温度作用下断裂强度的改变在传统断裂模型中不能描述;3)在微尺度损伤中,Griffith断裂模型忽略了耗散作用。虽然在非线性断裂问题可以用J断裂理论描述,但其在微尺度体系中的应用中还存在问题;4)对于激光冲击作用下的材料损伤,超出了断裂问题的分析范畴。此外,激光与损伤区域相互作用,需要考虑动态演变过程。微尺度断裂损伤与冲击损伤在激光加工中广泛存在,对它们的分析有助于理解加工损伤产生的机理,进而了解损伤产生的条件,从而为低损伤的实现指明方向。针对上述问题,本文使用断裂力学理论、分子动力学方法、冲击动力学知识以及实验手段进行单晶硅损伤机理的研究。针对激光加工中单晶硅损伤的形式,本文将微尺度损伤分为微尺度断裂损伤和冲击损伤两大部分。进行的工作如下:1)结合单晶硅的晶体信息对断裂模型进行修饰,构建单晶硅微尺度断裂损伤的半经验模型;2)使用热物理信息对前述半经验模型进行修饰,表达微尺度断裂损伤中温度作用与断裂强度变化的关系;3)讨论微尺度非线性断裂中等效J断裂模型的局限性,改进等效J断裂模型;4)对于高温区激光冲击造成的损伤,结合分子动力学与冲击动力学原理,研究损伤演化的动态过程和物理机制;5)对于激光冲击与缺陷的相互作用,使用分子动力学和冲击动力学知识,分析热-力作用下损伤区的演化过程;6)采用实验方法研究激光加工中单晶硅损伤的特点,结合损伤理论解释损伤产生的机理,在了解损伤产生机理的基础上调节加工参数实现对损伤的控制。通过上述研究表明,单晶硅的损伤过程存在动态、非线性与耦合效应,该过程中温度、晶体结构与力幅值均产生影响。通过将晶体结构信息引入断裂模型并通过等价变换,断裂分析可以不依赖传统的断裂相关参数,并且可以分析极小尺度的断裂损伤。通过将热物理信息引入断裂模型,温度作用对断裂强度的衰减作用得到了表达。结果表明,温度引起焓值增高、键能降低削弱了原子间的相互作用强度。对于非线性断裂,使用改进后的微尺度等效J断裂模型进行了分析。经过改进后的等效J断裂模型克服了传统模型的不足,并可以精确捕捉到非线性断裂过程键断裂的信息。此外,通过该模型可以得到动态断裂过程中耗散作用来源于原子结构畸变、局部的塑性变形以及材料的热耗散。冲击损伤过程中应力波的作用表现出力与热的强烈耦合。晶体结构的动态破坏过程中,松弛效应和晶体结构的演化影响能量的吸收。而在韧脆转变温度以上,低幅值应力波的作用可以使缺陷区快速的愈合。依据上述损伤产生与演化过程受控于热与力作用的特点,对于实验中较大功率下热损伤严重的问题,增大脉冲频率以降低单脉冲能量,同时提高单位时间脉冲间隔次数减少热累积与冲击作用,并观察损伤变化情况,实现加工区附近损伤程度的降低。