金剛石復合片殘余應(yīng)力

       金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC）是一種由金剛石微粉、鈷粉與硬質(zhì)合金基體在高溫高壓條件下燒結(jié)而成的復合超硬材料。PDC既具有金剛石的高硬度、高耐磨性，又具有硬質(zhì)合金的良好沖擊韌性和可焊接性，因此在鉆探工具和機械加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于制造過程中的熱膨脹系數(shù)差異，PDC中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這會影響其性能和壽命。本文將詳細介紹什么是金剛石復合片的殘余應(yīng)力、其成因、測量方法及各方法的優(yōu)劣。

       什么是金剛石的殘余應(yīng)力？

       殘余應(yīng)力是指在沒有外部載荷作用下，材料內(nèi)部存在的應(yīng)力。對于PDC而言，殘余應(yīng)力主要分為兩種：微觀應(yīng)力和宏觀應(yīng)力。微觀應(yīng)力是由于金剛石晶粒與其他雜質(zhì)之間的熱膨脹差異引起的，而宏觀應(yīng)力則是由于整個金剛石層和硬質(zhì)合金基體之間的熱膨脹差異引起的。

       金剛石復合片殘余應(yīng)力的成因

       PDC的制造過程中，金剛石、鈷和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)相差很大。在高溫高壓條件下燒結(jié)完成后，冷卻過程中不可避免地產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力主要來源于兩個方面：

       1. 金剛石層內(nèi)的金屬鈷：鈷的熱膨脹系數(shù)遠大于金剛石，冷卻時鈷的收縮量大于金剛石，導致金剛石顆粒表面受到壓縮應(yīng)力。由于鈷含量較少，這部分應(yīng)力較低，被稱為微觀應(yīng)力。鈷的膨脹系數(shù)(12.2×10?6 K?1)是金剛石(1.18×10?6 K?1)的10余倍，PDC 冷卻時鈷的收縮遠大于金剛石的收縮，使得金剛石顆粒表面受到壓縮應(yīng)力。不過由于金剛石層中鈷的含量很少(φ(Co)為 6%左右)，這部分應(yīng)力相當?shù)汀?/p>

       2. 硬質(zhì)合金基體：硬質(zhì)合金基體的熱膨脹系數(shù)約為金剛石的兩倍，冷卻過程中對金剛石層產(chǎn)生壓縮作用，導致應(yīng)力主要集中在界面附近，這部分應(yīng)力稱為宏觀應(yīng)力。

       金剛石復合片殘余應(yīng)力的測量方法

       1. 應(yīng)變片法：通過在PDC表面粘貼應(yīng)變片，記錄基體厚度改變時PDC表面的應(yīng)變。這種方法可以直接測量表面應(yīng)力，但難以反映應(yīng)力分布的細節(jié)。

       2. 中子衍射法：利用中子衍射技術(shù)測量PDC的平均應(yīng)力。這種方法適用于整體應(yīng)力的測量，但由于設(shè)備昂貴，測量時間長，不適用于細節(jié)應(yīng)力分布的測量。

       3. 拉曼光譜法：利用拉曼散射光譜技術(shù)，通過測量拉曼峰頻率的偏移來計算應(yīng)力。這種方法具有高空間分辨率，可以測量微小區(qū)域的應(yīng)力變化，特別適合于不均勻樣品的應(yīng)力測量。

       拉曼光譜法在測量金剛石復合片殘余應(yīng)力方面具有顯著優(yōu)勢，特別是對于細節(jié)應(yīng)力分布的測量。這對于改進PDC的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝具有重要意義。