硫系玻璃是热成像系统元件的重要材料，虽然适合成型，但这些脆性材料的加工特性在很大程度上是未知的。因此为了解硫系玻璃的微观变形机理，采用纳米压痕仪对硫系玻璃进行压痕实验、变载划痕实验和恒载划痕实验。纳米压痕实验中获得的数据表明，硫系玻璃在压痕的过程中出现了不连续阶梯状（pop-in）现象，从而表明材料发生了弹塑性转变，并得出材料的弹性模量和硬度；通过对压痕后的形貌进行观察，发现有边缘存在材料堆积现象，这将使通过Oliver-Pharr方法计算得出的弹性模量和硬度偏大，因此需要使用半椭圆模型进行校正。通过变载划痕实验得出划痕深度-长度曲线图，分析了硫系玻璃在每种阶段的去除方式，得出了脆塑转变的临界载荷为92.3 mN；通过对恒载划痕实验数据进行分析，得出脆塑转变的临界载荷为50~120 mN，证实了变载划痕实验所得临界载荷的准确性。

为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

最佳邻接量是高精度加工玻璃模压成形用磷化镍镀层材料微沟槽模具的重要参数。本文提出了一种利用小角度微沟槽交叉切削技术快速确定微沟槽最佳邻接量极限范围的方法。该方法利用沟槽小角度交叉切削材料去除形式与沟槽邻接切削相近的特点，对微沟槽邻接量的极限范围进行预测。 首先，以沟槽交叉角度和交叉沟槽深度为变量设定切削条件，得到多组渐变棱；然后，观测交叉渐变棱形貌并结合材料塑性变形法则与脆塑转变理论分析棱边上的材料去除状态；通过观察交叉渐变棱与沟槽邻接脊部在切削过程中去除材料的截面形貌建立二者的关系；最后，分析交叉渐变切入棱与切出棱形貌的差异，确定脆塑转变的邻接量范围。基于上述方法，观测了交叉渐变棱的形貌并进行几何计算，确定磷化镍模具微沟槽邻接切削产生脆性剥离现象的临界邻接量范围为570~720 nm。 利用微沟槽模具超精密切削加工实验验证了该方法的有效性，加工出了高质量模具并用于微沟槽玻璃模压成形，实现了玻璃微沟槽的精密制造。

微晶玻璃是制造大型空间望远镜、激光陀螺仪的重要材料，但微晶玻璃在超精密加工的过程中，工件内部会产生亚表层损伤，制约了微晶玻璃的光学性能。利用压痕法研究微晶玻璃产生裂纹脆塑转变临界条件，并在此基础上利用循环纳米压痕实验，研究了加工疲劳对材料脆塑转变的影响规律，以及疲劳状态下微晶玻璃临界压力的变化规律和疲劳因素对临界磨削深度的影响。研究结果表明，磨削循环过程使工件表面产生累积的机械损伤，致使微晶玻璃材料断裂韧性减小，导致塑性域降低；微晶玻璃材料表面产生裂纹的临界压力载荷与循环次数有关，循环次数越多，临界压力载荷越小。在此理论基础上确定了脆塑转变临界磨削条件。研究结果为改善光学元件的表面质量提供了一定的参考。