聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素（下篇）

    为了解pdc 残余热应力随pcd 层与硬质合金层厚度比的变化规律，采用热-结构耦合法对pcd层厚度为0.5~2.0 mm 的16 种pdc 进行了分析，随pcd 层厚度由0.5 mm 增加到2.0 mm, 即pcd 层与硬质合金层厚度比由0.067 增加到0.333,pcd 层***大径向压应力逐渐降低，由1.61 gpa 降低到1.03 gpa;pcd 表面中心压应力也逐渐降低，由1.61 gpa 下降到380 mpa ;轴向拉应力云图显示，随着pcd 层与硬质合金层厚度比值的增加，pcd 层界面边缘的***大轴向拉应力由 697 mpa 增加到了1.01 gpa;位于界面边缘处的***大剪应力则从106 mpa 增加到136 mpa .在模拟计算中，pdc 总高度为8 mm,因此，pcd 层加厚，一方面使硬质合金基体相对变薄，同时pcd 层与硬质合金层厚度比值逐渐增加。  

    随着pcd 层与硬质合金层厚度比的增加，pcd 层***大径向压应力和pcd 层表面中心的压应力均明显下降，同时pcd 层***大轴向拉应力逐渐增大， ***大径向应力出现在界面结合处，***大轴向应力出现在pdc 边缘靠近界面处。bertagnolli 等人的研究表明，pcd 层表面具有较大压缩应力的pdc 在达到金刚石抗拉极限前能够承受更大的载荷 .压应力的存在不会引起复合片龟裂和脱层，对复合片在钻进时抵抗外力也是有利的，而较大的轴向拉应力的存在对脆性材料是非常有害的。但pcd 层太薄会严重影响pdc 的使用寿命。因此，应该在保证pdc 使用寿命的前提下尽量降低pcd 层与硬质合金层厚度比值。

    2.pdc 压制过程中烧结温度的波动对残余热应力的影响

    利用六面顶压机， 在高温高压条件下（1 300~ 1 500 ℃，6 gpa） 压制pdc 的过程中，温度的控制是一个非常重要的很难控制，也很难解释其出现的原因。复合片的烧结温度范围一般在1 300~1 500 ℃， 钴-碳液相共晶温度为1 320 ℃。在生产过程中，主要是原材料个体差异以及操作原因，烧结温度常常不能较准确地控制在有效温度范围内，且烧结过程中温度的测量非常困难，很难直接通过实验的方法研究烧结温度对pdc 应力的影响。

为研究pdc 烧结温度的波动对残余热应力的影响，对不同烧结温度条件下的pdc 进行了有限元分析。分析中采用的材料物理力学性能参数，计算模型及模型有限元网格划分。对烧结温度在1 000~1 500℃范围内的11 种烧结温度条件下的pdc 的残余应力进行了数值模拟，模拟过程中的室温为20 ℃。烧结温度对pcd 层的残余应力的影响关系。随着pdc 烧结温度的不断增加，pcd 层的***大径向压应力也不断增加。***大径向压应力由烧结温度为1 000 ℃时的1.2 gpa 增加到1 500 ℃时的1.81 gpa,这种压应力的存在对提高界面结合力是有利的；在***大径向压应力逐渐增加的同时，pcd 层***大轴向应力由烧结温度为1 000 ℃ 时的850 mpa 增加到1.28 gpa,且出现在pdc 靠近界面的边缘位置，这种pcd 层较大的轴向拉应力容易导致pcd 层从基体上剥落；pcd 层表面中心压应力同样也随烧结温度的增加而增加。由此可见，烧结温度对pdc 残余热应力确实有较大影响。在pdc 压制过程中，若烧结温度太高，虽然pcd 层的压应力增大，有利于界面结合，但同时pcd 层***大剪应力以及边缘位置的拉应力也越大，使得pdc 边缘越容易产生裂纹或其它缺陷；若烧结温度过低，pcd 层的压应力太小，界面结合力不强，pcd 层容易从基体上脱落。可见，pdc 的压制过程对温度是十分敏感的，在生产过程中，除了进一步研究新的合成工艺外，必须确保每道工序的有效执行，尽量切断原材料对温度的影响，合理操作，使温度严格控制在***佳范围内。

    3.结论

    分析结果表明，随着pcd 层与硬质合金层厚度比的增加，pcd 层表面中心的压应力明显下降，pcd 层***大径向压应力逐渐降低，而***大轴向拉应力逐渐增大；随着pdc 压制过程中烧结温度的不断升高，pcd 层的***大径向压应力、***大轴向拉应力以及***大剪应力等均逐渐增大。因此，在保证pdc 使用寿命的前提下，应尽量降低pcd 层与硬质合金层厚度比值，尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。