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PDC 残余应力的测试

PDC 是由金刚石与硬质合金基体烧结而成的层状结构的复合材料，由于金 刚石与硬质合金的热膨胀系数相差太大，在卸压冷却过程中 PDC 的金刚石层与 硬质合金层不可避免地会产生热残余应力。残余应力的存在可能降低 PDC 的强 度，当 PDC 承受较强外力或温度变化较大时，金刚石层容易破损或从基体上剥
落，从而导致PDC 失效154]。因此，寻求合适的 PDC 残余应力的检测方法进而完


善 PDC 的设计和合成工艺，生产低残余应力或残余应力分布更为合理的 PDC 成
为行业研究的。
国外报道的对 PDC 残余应力的检测方法主要有应变片法和中子衍射法。

1.6.6.1 应变片测试法
应变片测试法普遍应用于金属残余应力的测量。它的原理是在处于原始应力 场平衡的金属上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内 的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新 的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过附于金属件上的高灵
敏度应变片，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。
美国合成金刚石公司的 Bertagnolli 将应变片粘贴于φ13.5×8mmPDC 的金 刚石层表面中心，然后依次磨掉不同厚度的硬质合金基体，应变片记录下基体厚 度改变时 PDC 金刚石层表面的应变量。假设所有硬质合金基体被去除后金刚石 层是无应力的，则将不同基体厚度时测得的应变量减去无基体时测得的应变量即 可得出 PDC 金刚石层表面残余应力与基体厚度的关系(图1-18)。室温下基体 完整时，PDC 的金刚石层表面受压缩应力(图1-18中的A 点)。当基体被磨去， 金刚石层开始向外膨胀，释放压缩应力(图1-18中的B 点)。此外，相对坚硬 的合金基体被去除后，金刚石层会产生轻微的弯曲，使得金刚石层表面处于张应 力状态(图1-18中的C 点)。随着基体厚度逐渐减薄至零，金刚石层充分膨胀，
表面应力为零(图1-18中的D 点 ) 。
从图中可见，测试结果与有限元的分析结果相当吻合。不过这种方法是破坏
性的，而且在材料去除过程中容易引入误差。

基体厚度(in)

1.6.6.2 中子衍射法
中子衍射法是测量残余应力的另一种选择，它是一种无损检测方法，同时
克服了x 射线衍射法穿透深度的限制。
J.W.Paggett等人150采用美国密苏里大学残余应力测定仪，使用波长1.6557A 的中子束对φ13.5×3.5mmPDC 金刚石层的应力及整个 PDC 轴向的应力梯度进行
了测试。
被测试样的衍射峰位置与其晶格空间直接相关，有应力与无应力试样衍射


峰的偏移与应变的关系为：




(1-1)

其中ε是应变，θ₀是无应力的标准参照样的布拉格角，0是有应力的布拉格
角 。
根据应变可由下式求得应力：
(1-2)
式(1 - 2)中E 为弹性模量， v 为泊松比。
测量 PDC 金刚石层的平均平面应力时，将两个相同试样面对面放置在一个 铝制的固定装置上，测试过程中两片 PDC 沿其共有的轴旋转，该轴垂直于衍射 平面。入射中子束限制在3mm 高度范围内，包围整个金刚石层(图1-19)这样 测得的应变为整个金刚石层径向和切向的平均应变值。通过应变计算出的标准
PDC 的残余应力值为-392±50MPa。


图1-19 通过狭缝限制入射光束高度以测量金刚石层残余应力

为测量PDC 的平面应力梯度， Paggett 等人采用了10.16cm 长的氮化硼准 直仪将中子束限制在0.5mm 高、8mm 宽的范围(图1-20),准直狭缝置于试样 边缘1mm 内，使得到达试样的光束发散小。铝制的试样台固定在一个可三维 移动的转换器上，使试样处于轴中心位置，并光束能垂直扫描试样。如此测 得的应变为照射区域的平均应变，在试样上的垂直分辨率约0.5mm。 试样在测试 时绕垂直于衍射面的轴旋转。测量应力梯度时，采用金刚石的(311)峰代替(220)





图1-20 测量 PDC 的平面应力梯度时，狭缝限制入射光束照射区域为0.5×8mm

峰以避免当测量区域移动到界面时受WC(221) 峰的干扰。图1-21是中子衍射 法测得的标准 PDC 的残余应力梯度。然而，中子衍射法也有其自身的缺点，如
低的散射强度和有限的中子有效性。


与金刚石层表面的距离(mm)
图1-21 中子衍射法测得的标准PDC 的残余应力梯度
1.6.6.3 拉曼光谱法
当物体存在应力时，某些对应力敏感的拉曼光谱谱带会产生移动和变形，其 中拉曼峰频率偏移的改变与所受应力成正比。因此可通过拉曼峰频率偏移来衡量
PDC 金刚石层残余应力的大小。
美国 Alabama 大学的 Catledgel⁵7 等运用激光共焦拉曼光谱仪测试了带过渡层球面结构 PDC (图1-22)各层的应力大小。
拉曼光谱测试条件：氩离子激光器，波长632.81nm, 激光光斑直径5μm, 激光输出功率50mW。测出的外层金刚石的压应力平均为1300MPa, 内部两个 过渡层的压应力在870-950Mpa 范围之间，与其它测试方法和有限元分析得出
的结果基本吻合，证明拉曼光谱对PDC 残余应力的测定是一种可行的方法。


图1-22 测试的球面结构 PDC 示 意 图
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