PDC 殘余應(yīng)力的測試

PDC 是由金剛石與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，由于金 剛石與硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)相差太大，在卸壓冷卻過程中 PDC 的金剛石層與 硬質(zhì)合金層不可避免地會產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在可能降低 PDC 的強(qiáng) 度，當(dāng) PDC 承受較強(qiáng)外力或溫度變化較大時，金剛石層容易破損或從基體上剝
落，從而導(dǎo)致PDC 失效154]。因此，尋求合適的 PDC 殘余應(yīng)力的檢測方法進(jìn)而完


善 PDC 的設(shè)計和合成工藝，生產(chǎn)低殘余應(yīng)力或殘余應(yīng)力分布更為合理的 PDC 成
為行業(yè)研究的。
國外報道的對 PDC 殘余應(yīng)力的檢測方法主要有應(yīng)變片法和中子衍射法。

1.6.6.1 應(yīng)變片測試法
應(yīng)變片測試法普遍應(yīng)用于金屬殘余應(yīng)力的測量。它的原理是在處于原始應(yīng)力 場平衡的金屬上鉆孔，以去除一部分具有應(yīng)力的金屬，而使圓孔附近部分金屬內(nèi) 的應(yīng)力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)而使應(yīng)力重新分布，并呈現(xiàn)新 的應(yīng)力平衡，從而使圓孔附近的金屬發(fā)生位移或應(yīng)變，通過附于金屬件上的高靈
敏度應(yīng)變片，測量鉆孔后的應(yīng)變量，就可以計算原應(yīng)力場的應(yīng)力值。
美國合成金剛石公司的 Bertagnolli 將應(yīng)變片粘貼于φ13.5×8mmPDC 的金 剛石層表面中心，然后依次磨掉不同厚度的硬質(zhì)合金基體，應(yīng)變片記錄下基體厚 度改變時 PDC 金剛石層表面的應(yīng)變量。假設(shè)所有硬質(zhì)合金基體被去除后金剛石 層是無應(yīng)力的，則將不同基體厚度時測得的應(yīng)變量減去無基體時測得的應(yīng)變量即 可得出 PDC 金剛石層表面殘余應(yīng)力與基體厚度的關(guān)系(圖1-18)。室溫下基體 完整時，PDC 的金剛石層表面受壓縮應(yīng)力(圖1-18中的A 點)。當(dāng)基體被磨去， 金剛石層開始向外膨脹，釋放壓縮應(yīng)力(圖1-18中的B 點)。此外，相對堅硬 的合金基體被去除后，金剛石層會產(chǎn)生輕微的彎曲，使得金剛石層表面處于張應(yīng) 力狀態(tài)(圖1-18中的C 點)。隨著基體厚度逐漸減薄至零，金剛石層充分膨脹，
表面應(yīng)力為零(圖1-18中的D 點 ) 。
從圖中可見，測試結(jié)果與有限元的分析結(jié)果相當(dāng)吻合。不過這種方法是破壞
性的，而且在材料去除過程中容易引入誤差。

基體厚度(in)

1.6.6.2 中子衍射法
中子衍射法是測量殘余應(yīng)力的另一種選擇，它是一種無損檢測方法，同時
克服了x 射線衍射法穿透深度的限制。
J.W.Paggett等人150采用美國密蘇里大學(xué)殘余應(yīng)力測定儀，使用波長1.6557A 的中子束對φ13.5×3.5mmPDC 金剛石層的應(yīng)力及整個 PDC 軸向的應(yīng)力梯度進(jìn)行
了測試。
被測試樣的衍射峰位置與其晶格空間直接相關(guān)，有應(yīng)力與無應(yīng)力試樣衍射


峰的偏移與應(yīng)變的關(guān)系為：




(1-1)

其中ε是應(yīng)變，θ?是無應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)參照樣的布拉格角，0是有應(yīng)力的布拉格
角 。
根據(jù)應(yīng)變可由下式求得應(yīng)力：
(1-2)
式(1 - 2)中E 為彈性模量， v 為泊松比。
測量 PDC 金剛石層的平均平面應(yīng)力時，將兩個相同試樣面對面放置在一個 鋁制的固定裝置上，測試過程中兩片 PDC 沿其共有的軸旋轉(zhuǎn)，該軸垂直于衍射 平面。入射中子束限制在3mm 高度范圍內(nèi)，包圍整個金剛石層(圖1-19)這樣 測得的應(yīng)變?yōu)檎麄€金剛石層徑向和切向的平均應(yīng)變值。通過應(yīng)變計算出的標(biāo)準(zhǔn)
PDC 的殘余應(yīng)力值為-392±50MPa。


圖1-19 通過狹縫限制入射光束高度以測量金剛石層殘余應(yīng)力

為測量PDC 的平面應(yīng)力梯度， Paggett 等人采用了10.16cm 長的氮化硼準(zhǔn) 直儀將中子束限制在0.5mm 高、8mm 寬的范圍(圖1-20),準(zhǔn)直狹縫置于試樣 邊緣1mm 內(nèi)，使得到達(dá)試樣的光束發(fā)散小。鋁制的試樣臺固定在一個可三維 移動的轉(zhuǎn)換器上，使試樣處于軸中心位置，并光束能垂直掃描試樣。如此測 得的應(yīng)變?yōu)檎丈鋮^(qū)域的平均應(yīng)變，在試樣上的垂直分辨率約0.5mm。 試樣在測試 時繞垂直于衍射面的軸旋轉(zhuǎn)。測量應(yīng)力梯度時，采用金剛石的(311)峰代替(220)





圖1-20 測量 PDC 的平面應(yīng)力梯度時，狹縫限制入射光束照射區(qū)域為0.5×8mm

峰以避免當(dāng)測量區(qū)域移動到界面時受WC(221) 峰的干擾。圖1-21是中子衍射 法測得的標(biāo)準(zhǔn) PDC 的殘余應(yīng)力梯度。然而，中子衍射法也有其自身的缺點，如
低的散射強(qiáng)度和有限的中子有效性。


與金剛石層表面的距離(mm)
圖1-21 中子衍射法測得的標(biāo)準(zhǔn)PDC 的殘余應(yīng)力梯度
1.6.6.3 拉曼光譜法
當(dāng)物體存在應(yīng)力時，某些對應(yīng)力敏感的拉曼光譜譜帶會產(chǎn)生移動和變形，其 中拉曼峰頻率偏移的改變與所受應(yīng)力成正比。因此可通過拉曼峰頻率偏移來衡量
PDC 金剛石層殘余應(yīng)力的大小。
美國 Alabama 大學(xué)的 Catledgel?7 等運用激光共焦拉曼光譜儀測試了帶過渡層球面結(jié)構(gòu) PDC (圖1-22)各層的應(yīng)力大小。
拉曼光譜測試條件：氬離子激光器，波長632.81nm, 激光光斑直徑5μm, 激光輸出功率50mW。測出的外層金剛石的壓應(yīng)力平均為1300MPa, 內(nèi)部兩個 過渡層的壓應(yīng)力在870-950Mpa 范圍之間，與其它測試方法和有限元分析得出
的結(jié)果基本吻合，證明拉曼光譜對PDC 殘余應(yīng)力的測定是一種可行的方法。


圖1-22 測試的球面結(jié)構(gòu) PDC 示 意 圖
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聯(lián)系電話： 趙經(jīng)理 金剛石復(fù)合片