PDC 殘余應(yīng)力的測(cè)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(guò)程中 PDC 的金剛石層與 硬質(zhì)合金層不可避免地會(huì)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(shí)，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(cè)方法進(jìn)而完


善 PDC 的設(shè)計(jì)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(guó)外報(bào)道的對(duì) PDC 殘余應(yīng)力的檢測(cè)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(cè)試法
應(yīng)變片測(cè)試法普遍應(yīng)用于金屬殘余應(yīng)力的測(cè)量。它的原理是在處于原始應(yīng)力 場(chǎng)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(lái)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(guò)附于金屬件上的高靈
敏度應(yīng)變片，測(cè)量鉆孔后的應(yīng)變量，就可以計(jì)算原應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值。
美國(guó)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(shí) 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(wú)應(yīng)力的，則將不同基體厚度時(shí)測(cè)得的應(yīng)變量減去無(wú)基體時(shí)測(cè)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(shí)，PDC 的金剛石層表面受壓縮應(yīng)力(圖1-18中的A 點(diǎn))。當(dāng)基體被磨去， 金剛石層開(kāi)始向外膨脹，釋放壓縮應(yīng)力(圖1-18中的B 點(diǎn))。此外，相對(duì)堅(jiān)硬 的合金基體被去除后，金剛石層會(huì)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(diǎn))。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(diǎn) ) 。
從圖中可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果與有限元的分析結(jié)果相當(dāng)吻合。不過(guò)這種方法是破壞
性的，而且在材料去除過(guò)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(cè)量殘余應(yīng)力的另一種選擇，它是一種無(wú)損檢測(cè)方法，同時(shí)
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(guó)密蘇里大學(xué)殘余應(yīng)力測(cè)定儀，使用波長(zhǎng)1.6557A 的中子束對(duì)φ13.5×3.5mmPDC 金剛石層的應(yīng)力及整個(gè) PDC 軸向的應(yīng)力梯度進(jìn)行
了測(cè)試。
被測(cè)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(wú)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(wú)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(cè)量 PDC 金剛石層的平均平面應(yīng)力時(shí)，將兩個(gè)相同試樣面對(duì)面放置在一個(gè) 鋁制的固定裝置上，測(cè)試過(guò)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(gè)金剛石層(圖1-19)這樣 測(cè)得的應(yīng)變?yōu)檎麄€(gè)金剛石層徑向和切向的平均應(yīng)變值。通過(guò)應(yīng)變計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)
PDC 的殘余應(yīng)力值為-392±50MPa。


圖1-19 通過(guò)狹縫限制入射光束高度以測(cè)量金剛石層殘余應(yīng)力

為測(cè)量PDC 的平面應(yīng)力梯度， Paggett 等人采用了10.16cm 長(zhǎng)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(tái)固定在一個(gè)可三維 移動(dòng)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(cè) 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(cè)試 時(shí)繞垂直于衍射面的軸旋轉(zhuǎn)。測(cè)量應(yīng)力梯度時(shí)，采用金剛石的(311)峰代替(220)





圖1-20 測(cè)量 PDC 的平面應(yīng)力梯度時(shí)，狹縫限制入射光束照射區(qū)域?yàn)?.5×8mm

峰以避免當(dāng)測(cè)量區(qū)域移動(dòng)到界面時(shí)受WC(221) 峰的干擾。圖1-21是中子衍射 法測(cè)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(diǎn)，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(cè)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(shí)，某些對(duì)應(yīng)力敏感的拉曼光譜譜帶會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)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(guò)拉曼峰頻率偏移來(lái)衡量
PDC 金剛石層殘余應(yīng)力的大小。
美國(guó) Alabama 大學(xué)的 Catledgel?7 等運(yùn)用激光共焦拉曼光譜儀測(cè)試了帶過(guò)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(cè)試條件：氬離子激光器，波長(zhǎng)632.81nm, 激光光斑直徑5μm, 激光輸出功率50mW。測(cè)出的外層金剛石的壓應(yīng)力平均為1300MPa, 內(nèi)部?jī)蓚€(gè) 過(guò)渡層的壓應(yīng)力在870-950Mpa 范圍之間，與其它測(cè)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(duì)PDC 殘余應(yīng)力的測(cè)定是一種可行的方法。


圖1-22 測(cè)試的球面結(jié)構(gòu) PDC 示 意 圖
成立于2000年，總部位于深圳，是一家從事超硬復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)。
海明潤(rùn)主營(yíng)產(chǎn)品為石油天然氣鉆探用金剛石復(fù)合片、精密加工用刀具材料、礦山鉆孔及采掘用金剛石工具。是國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力雄厚、生產(chǎn)規(guī)模較大的超硬復(fù)合材料生產(chǎn)商，石油天然氣鉆探用金剛石復(fù)合片領(lǐng)域更是處于國(guó)內(nèi)水平。
海明潤(rùn)以的產(chǎn)品性能，高穩(wěn)定性的產(chǎn)品質(zhì)量，以及的服務(wù)在海內(nèi)外樹(shù)立了良好的品牌形象，產(chǎn)品不僅，還到美國(guó)，加拿大，歐洲等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

　　金剛石復(fù)合片海明潤(rùn)創(chuàng)造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，形成了具有自身特點(diǎn)的技術(shù)體系。公司擁有一支實(shí)力較強(qiáng)的研發(fā)隊(duì)伍，研發(fā)硬件和檢測(cè)分析手段已達(dá)到國(guó)際水平。


　　海明潤(rùn)生產(chǎn)的金剛石復(fù)合片出口銷(xiāo)往美國(guó)、加拿大、俄羅斯、歐洲等國(guó)家和地區(qū)，并被國(guó)內(nèi)各大油田和大型鉆頭廠長(zhǎng)期選用，以國(guó)內(nèi)的，高穩(wěn)定性，高性?xún)r(jià)比為主要特色而樹(shù)立了良好的海明潤(rùn)品牌形象。

　　海明潤(rùn)金剛石復(fù)合片始終把產(chǎn)品質(zhì)量看作生命線，在工作中遵循“勤懇做事、踏實(shí)做人，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)細(xì)節(jié)”的企業(yè)精神。目前金剛石復(fù)合片公司已通過(guò)ISO9001:2008質(zhì)量管理體系、ISO14000:2004環(huán)境管理體系及OHSAS18001:2007職業(yè)健康安全管理體系認(rèn)證。

金剛石復(fù)合片公司注重引進(jìn)技術(shù)人才，研究目標(biāo)始終對(duì)準(zhǔn)國(guó)際水平，已獲得一批擁有立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利技術(shù)，為公司長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前已獲得7項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和11項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)外觀專(zhuān)利，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量一直在快速增長(zhǎng)。擁有的研發(fā)硬件實(shí)力，現(xiàn)有掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDX)、X射線物相分(XRD)、定量金相顯微鏡、超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)儀(C掃描)、抗沖擊測(cè)定儀、大型磨耗比檢測(cè)立式數(shù)控車(chē)床(VTL)等的檢測(cè)設(shè)備。金剛石復(fù)合片
聯(lián)系電話： 趙經(jīng)理 金剛石復(fù)合片