水泥行业是我国国民经济建设的重要基础材料产业，也是主要的能源资源消耗和污染物排放行业之一。水泥的生料和熟料的破碎是水泥生产中的一个最大的耗能环节，最大限度减少破碎过程中的能耗具有重大现实意义。物料的力学性能直接影响到破碎的方式和难易程度。本文主要结合材料强度学和断裂力学的基本理论，并利用增强理论的逆向思维，研究物料的破碎和力学性能，载荷方式和温度等因素对物料的强度和粉碎耗能的影响，推导了小能量破碎的优化冲击角度。用最小的能耗，产生最大的表面能或者在给定表面能条件下，使能耗最小的思路，探索出了低能耗粉碎的新途径、新方法，为降低水泥单位能耗和环境负荷提供科学理论依据。本文主要工作如下：(1)对水泥的生料和干法窑水泥熟料的硬度、强度及弹性模量等力学性能系统地进行了测试，探讨了干法窑水泥熟料的破碎阻力与力学性能之关系。对物料的脆性和能量耗散能力进行分析，发现干法窑水泥熟料的力学特征是硬度高，强度低，弹性模量也低于生料石块。强度低导致了其破碎阻力小，硬度高使得它的粉磨细化难度大。认为这是熟料细化粉磨耗能多的主要原因。(2)以Oliver-Pharr模型为基础的位移敏感压痕技术来评价材料的硬度和弹性模量，然后选用水泥熟料和岩石进行应用计算，将其计算的弹性模量和动态弹性模量进行比较，同时验证计算结果的可靠性，最后根据压痕加载卸载曲线和残留压痕形貌，分析了其破碎阻力和能量耗散率对物料粉碎耗能的影响。结果表明，水泥熟料是一种准脆性材料，比石灰石具有更好的塑性和能量吸收能力，水泥熟料的能量耗散率rd比石灰石较高，这将解释了在水泥生产中为什么熟料在粉磨和细化中比石灰石耗能多。(3)设计了多角度压缩破坏实验方案，并用声发射进行监控，研究了单颗粒熟料在拉剪作用下的最优载荷状态。理论推导了小能量破碎最优角度为45°左右，并设计了冲击压缩、直接压缩和循环压缩的试验环境，然后基于不同的粉碎理论对水泥熟料的粉碎耗能进行评价，比较了不同的评价理论和不同加载方式对耗能评价的影响。结果表明，5000N—10000N循环10次的功耗较小，并用Kick理论比较适合破碎耗能的能耗评价。(4)采用自制冲击设备进行了多个角度下水泥熟料颗粒的冲击试验，分析了冲击过程中力与位移曲线、冲击峰值力以及冲击压痕形貌随冲击角度的变化情况。冲击粉碎试验表明，随着冲击角度，损伤面积增加，使残余强度显着降低。随着冲击能量的增加，冲击力峰值、损伤面积和凹坑深度明显增加，到达峰值冲击力的时间减小。当冲击角为45°，压应力和剪应力的复合应力下，熟料样品表面会导致更严重的损伤和断裂。(5)通过水泥熟料的高温应力松弛实验和高温球压应力松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆—塑转变温度，测定了熟料弹性模量和残余抗压强度急剧变化的温度范围。高温应力松弛试验表明，随着温度从800℃到1200℃增加，载荷从60%降到40%以下，尤其在1200℃时，载荷松弛最明显。当温度在800℃时水泥熟料样品为脆性断裂；当温度在1200℃时，水泥熟料样品的断裂由剪切破坏引起，相对变形较大，为塑性破坏；在1000℃时的破坏是由张拉和剪切复合应力下引起的，脆性破坏性增强而塑性减弱，脆性破坏的试样峰值载荷相对较高。(6)用RFPA2D系统数值模拟再现了熟料弹性变形、裂纹萌生扩展、裂纹失稳扩展的破坏过程。对不同角度的压缩试验进行了模拟，同时对高温下熟料的破坏过程，模拟不同材料性能的物料在受力过程中的破裂路径和最小能量路径，分析载荷模式和实现该模式的载荷形式。结果表明，水泥熟料颗粒的数值模拟粉碎机理与真实试验得到的粉碎机理基本一致。随着弹性模量从E=47.28Gpa～E=1.43Gpa的减小，最大破碎失效载荷减小，破碎所需要的破碎功增加。当液相率从0%～10%增大，最大破碎失效载荷减小，破碎所需要的破碎功也减小，加载步数也相对减少，积累的声发射的数目也随之而减少。