应力释放法测PDC热残余应力研究.pdfVIP

应力释放法测PDC 热残余应力研究1 1 2 3 1 徐根 ，陈枫 ，徐国平 ，肖建清 1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 (410083) 2. 中南大学现代分析测试中心，湖南长沙 (410083) 3.金瑞新材料科技股份有限公司，湖南长沙（410083 ） E-mail ：gen.x@163.com 摘 要：精确测量PDC 热残余应力是优化PDC 界面结构、提高PDC 使用性能的关键。本文 利用应力释放法，对四种同材料及外形尺寸、不同金刚石层厚度的聚晶金刚石复合片进行了 热残余应力测试，得到了金刚石层表面热残余应力值及热残余应力与基体厚度的关系曲线， 并与有限元计算结果作了比较，两者基本吻合。本文总结了用应力释放法测PDC 热残余应力 的要点，指出了其优缺点，为进一步改进应力释放法在PDC 热残余应力测试方面的应用奠定 了理论和实验基础。 关键词：聚晶金刚石复合片；应力释放法；热残余应力；有限元 中图分类号：TQ164.9 1. 引 言 聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact ，简称PDC ）是由聚晶金刚石层（简 称 PCD ）与硬质合金基体构成的超硬复合材料。一般认为，热残余应力是造成 PDC 非正常 失效的主要原因[1-4] 。精确测量 PDC 热残余应力是优化 PDC 界面结构、提高 PDC 使用性能 的关键。目前，国内外检测PDC 残余应力的方法主要有：应力释放法、中子衍射法和带高能 同步加速器 X 射线衍射法等几种[5-8] 。其中，应力释放法相对简单、直观，而后两种测试设 备昂贵，不适合在工程中采用。 因此，本文利用应力释放法，对四种同材料及外形尺寸、不同金刚石层厚度的PDC 进行 了热残余应力测试，得到了PCD 层表面热残余应力值，以及热残余应力随基体厚度的变化规 律，并与有限元分析结果作了比较，两者基本吻合，证明了应力释放法测 PDC 热残余应力的 可靠性。 2. PDC 热残余应力测试 2.1 应力释放法测 PDC 热残余应力原理 应力释放法测量金属残余应力的原理为：在处于原始应力场平衡的金属上钻孔 ，以去除 一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力 平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变， 通过附于金属件上的高灵敏度应变片，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。 用应力释放法测 PDC 热残余应力具体过程为：将电阻应变片粘贴于 PCD 层的表面，然 后依次切割不同厚度的硬质合金基体，应变片记录下基体厚度改变时 PCD 层表面的应变量。 假设所有硬质合金基体被去除后 PCD 层是无应力的，则将不同基体厚度时测得的应变量 减去无基体时测得的应变量即可得出 PCD 层表面残余应力与基体厚度的关系曲线，并求得其 应力值。 1 本课题得到湖南省自然科学基金（超深原岩应力测量中凯泽法可靠度系统研究，编号06JJ4062）资助项目 博士点基金（油田钻探用金刚石复合片热残余应力致裂与止裂研究，编号20070533113）资助项目的资助。 - 1 - 2.2 PDC 热残余应力测试步骤与结果分析 实验试样为金瑞新材料科技股份有限公司生产的平界面 PDC ，规格为 Φ19×13mm，PCD 层厚度分别为 0.5mm、1.0mm、1.5mm 和 2.0mm 四种，见图 1。在试样中部、1/2 半径及边缘 分别贴电阻应变片（规格为 3×2mm ），见图2 ，并进行防水处理。试样的材料参数见表 1。 图 1 试样（同规格、不同 PCD 层厚度） 图2 贴片及导线连接