PDC 殘余應力的測試

PDC 是由金剛石與硬質合金基體燒結而成的層狀結構的復合材料，由于金 剛石與硬質合金的熱膨脹系數相差太大，在卸壓冷卻過程中 PDC 的金剛石層與 硬質合金層不可避免地會產生熱殘余應力。殘余應力的存在可能降低 PDC 的強 度，當 PDC 承受較強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，從而導致PDC 失效154]。因此，尋求合適的 PDC 殘余應力的檢測方法進而完


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

1.6.6.1 應變片測試法
應變片測試法普遍應用于金屬殘余應力的測量。它的原理是在處于原始應力 場平衡的金屬上鉆孔，以去除一部分具有應力的金屬，而使圓孔附近部分金屬內 的應力得到松弛，鉆孔破壞了原來的應力平衡狀態而使應力重新分布，并呈現新 的應力平衡，從而使圓孔附近的金屬發生位移或應變，通過附于金屬件上的高靈
敏度應變片，測量鉆孔后的應變量，就可以計算原應力場的應力值。
美國合成金剛石公司的 Bertagnolli 將應變片粘貼于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合金基體，應變片記錄下基體厚 度改變時 PDC 金剛石層表面的應變量。假設所有硬質合金基體被去除后金剛石 層是無應力的，則將不同基體厚度時測得的應變量減去無基體時測得的應變量即 可得出 PDC 金剛石層表面殘余應力與基體厚度的關系(圖1-18)。室溫下基體 完整時，PDC 的金剛石層表面受壓縮應力(圖1-18中的A 點)。當基體被磨去， 金剛石層開始向外膨脹，釋放壓縮應力(圖1-18中的B 點)。此外，相對堅硬 的合金基體被去除后，金剛石層會產生輕微的彎曲，使得金剛石層表面處于張應 力狀態(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，
表面應力為零(圖1-18中的D 點 ) 。
從圖中可見，測試結果與有限元的分析結果相當吻合。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殘余應力測定儀，使用波長1.6557A 的中子束對φ13.5×3.5mmPDC 金剛石層的應力及整個 PDC 軸向的應力梯度進行
了測試。
被測試樣的衍射峰位置與其晶格空間直接相關，有應力與無應力試樣衍射


峰的偏移與應變的關系為：




(1-1)

其中ε是應變，θ?是無應力的標準參照樣的布拉格角，0是有應力的布拉格
角 。
根據應變可由下式求得應力：
(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，該軸垂直于衍射 平面。入射中子束限制在3mm 高度范圍內，包圍整個金剛石層(圖1-19)這樣 測得的應變為整個金剛石層徑向和切向的平均應變值。通過應變計算出的標準
PDC 的殘余應力值為-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力

為測量PDC 的平面應力梯度， Paggett 等人采用了10.16cm 長的氮化硼準 直儀將中子束限制在0.5mm 高、8mm 寬的范圍(圖1-20),準直狹縫置于試樣 邊緣1mm 內，使得到達試樣的光束發散小。鋁制的試樣臺固定在一個可三維 移動的轉換器上，使試樣處于軸中心位置，并光束能垂直掃描試樣。如此測 得的應變為照射區域的平均應變，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。測量應力梯度時，采用金剛石的(311)峰代替(220)





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

峰以避免當測量區域移動到界面時受WC(221) 峰的干擾。圖1-21是中子衍射 法測得的標準 PDC 的殘余應力梯度。然而，中子衍射法也有其自身的缺點，如
低的散射強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準PDC 的殘余應力梯度
1.6.6.3 拉曼光譜法
當物體存在應力時，某些對應力敏感的拉曼光譜譜帶會產生移動和變形，其 中拉曼峰頻率偏移的改變與所受應力成正比。因此可通過拉曼峰頻率偏移來衡量
PDC 金剛石層殘余應力的大小。
美國 Alabama 大學的 Catledgel?7 等運用激光共焦拉曼光譜儀測試了帶過渡層球面結構 PDC (圖1-22)各層的應力大小。
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力平均為1300MPa, 內部兩個 過渡層的壓應力在870-950Mpa 范圍之間，與其它測試方法和有限元分析得出
的結果基本吻合，證明拉曼光譜對PDC 殘余應力的測定是一種可行的方法。


圖1-22 測試的球面結構 PDC 示 意 圖
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