一文读懂金刚石PDC残余应力——成因与测试方法

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金刚石复合片残余应力

金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）是一种由金刚石微粉、钴粉与硬质合金基体在高温高压条件下烧结而成的复合超硬材料。PDC既具有金刚石的高硬度、高耐磨性，又具有硬质合金的良好冲击韧性和可焊接性，因此在钻探工具和机械加工领域得到广泛应用。然而，由于制造过程中的热膨胀系数差异，PDC中会产生残余应力，这会影响其性能和寿命。本文将详细介绍什么是金刚石复合片的残余应力、其成因、测量方法及各方法的优劣。

什么是金刚石的残余应力？

残余应力是指在没有外部载荷作用下，材料内部存在的应力。对于PDC而言，残余应力主要分为两种：微观应力和宏观应力。微观应力是由于金刚石晶粒与其他杂质之间的热膨胀差异引起的，而宏观应力则是由于整个金刚石层和硬质合金基体之间的热膨胀差异引起的。

金刚石复合片残余应力的成因

PDC的制造过程中，金刚石、钴和硬质合金的热膨胀系数相差很大。在高温高压条件下烧结完成后，冷却过程中不可避免地产生热残余应力。这些应力主要来源于两个方面：

1. 1. 金刚石层内的金属钴：钴的热膨胀系数远大于金刚石，冷却时钴的收缩量大于金刚石，导致金刚石颗粒表面受到压缩应力。由于钴含量较少，这部分应力较低，被称为微观应力。钴的膨胀系数(12.2×10⁻⁶ K⁻¹)是金刚石(1.18×10⁻⁶ K⁻¹)的10余倍，PDC 冷却时钴的收缩远大于金刚石的收缩，使得金刚石颗粒表面受到压缩应力。不过由于金刚石层中钴的含量很少(φ(Co)为 6%左右)，这部分应力相当低。

2. 2. 硬质合金基体：硬质合金基体的热膨胀系数约为金刚石的两倍，冷却过程中对金刚石层产生压缩作用，导致应力主要集中在界面附近，这部分应力称为宏观应力。

金刚石复合片残余应力的测量方法

1. 1. 应变片法：通过在PDC表面粘贴应变片，记录基体厚度改变时PDC表面的应变。这种方法可以直接测量表面应力，但难以反映应力分布的细节。

2. 2. 中子衍射法：利用中子衍射技术测量PDC的平均应力。这种方法适用于整体应力的测量，但由于设备昂贵，测量时间长，不适用于细节应力分布的测量。

3. 3. 拉曼光谱法：利用拉曼散射光谱技术，通过测量拉曼峰频率的偏移来计算应力。这种方法具有高空间分辨率，可以测量微小区域的应力变化，特别适合于不均匀样品的应力测量。

拉曼光谱法在测量金刚石复合片残余应力方面具有显著优势，特别是对于细节应力分布的测量。这对于改进PDC的结构设计和生产工艺具有重要意义。

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