金剛石復合片殘余應力

       金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC）是一種由金剛石微粉、鈷粉與硬質合金基體在高溫高壓條件下燒結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域得到廣泛應用。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力？

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

       金剛石復合片殘余應力的成因

       PDC的制造過程中，金剛石、鈷和硬質合金的熱膨脹系數(shù)相差很大。在高溫高壓條件下燒結完成后，冷卻過程中不可避免地產(chǎn)生熱殘余應力。這些應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力。由于鈷含量較少，這部分應力較低，被稱為微觀應力。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)，這部分應力相當?shù)汀?/p>

       2. 硬質合金基體：硬質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，導致應力主要集中在界面附近，這部分應力稱為宏觀應力。

       金剛石復合片殘余應力的測量方法

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

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

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

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