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2007年4月 

金刚石与磨料磨具工程 

Diamond&Abrasives Engineering 

April.2007 

Seri1.158 No.2 a

总第158期第2期 

文章编号:1006—852X(2007)02—0030—04 

聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的检测方法 

徐国平 尹志民 陈启武 

(1.中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;2.长沙矿冶研究院,长沙410012) 

摘要本文介绍了三种近期国外检测PDC残余应力的方法:应变片测试法、中子衍射法和带高能同步加速器x射线衍 

射法。三种方法均能有效检测出PDC的残余应力且各有其特点。应变片测试法比较直观、简单,不过这种方法是破坏性 

的,而且在材料去除过程中容易引入误差;中子衍射具有较深穿透力,然而较弱的散射使其取样体积不能小于1 mln ;高能 

同步加速器产生的散射x射线能穿透直径19 mill的PDC样品,空间分辨率高,测量体积可精确至0.014 mm ,能详细地呈 

现出金刚石层、D/WC界面以及WC基体外径部分的二维应变分布情况,但测试易受co峰的干扰。 

关键词PDC;残余应力;检测 

TQ164 文献标识码A 中图分类号

Methods for measuring residual stress in 

polycrystalline diamond compact 

Xu Guoping ・ Yin Zhimin Chen Qiwu 

(1.School ofMaterials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) 

(2.Changsha Research Institute flo ̄ning&Metallurgy,Changsha 410012,Chia)n 

Abstract The authors introduced three methods for measuring he resitdual stresses in polycrystalline diamond compacts which are, 

orsette strain gauge,neutron difraction stress measurement and energy dispersive X—my difraction(EDXRD).Each method Can 

be used to measure the residual stresses in PDC effectively and ha§its own characteristics.The fist metrhod is simple and easy to 

understand,but it is destructive and Can easily result in inaccuracies during material remova1.Neutron difraction allows deep pene- 

tration into specimens due to the weak scaaering of the neutrons.However,the weak scaRering precludes sampling volumes of less 

hatn about lmm .The hish penetration capability and spatial resolution of energy dispersive X—ray scattering ofthe synchrotron ra— 

diation enabled detailed two dimensional mapping of strain in the entire diamond table,at the diamond/WC interface,and around 

he outtside dimetera of he WC substtrate.The gauged volume is calculated to be 0.014 mill ,however,the measurement may be in- 

terfered by Co peaks. 

Keywords polycrystlline daiamond compact;residual stress;measurement 

1概述 

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond com— 

pact简称PDC)进入市场三十年来,对世界范围内的石 

油、天然气钻井行业产生了重大的影响。采用PDC作 

100%,成本可以降低30%一50%,单只进尺可增加3 

4倍…。 

随着PDC制造水平和质量的提高,PDC钻头的适 

用地层和用量也得到不断扩大。据统计,PDC钻头的 

进尺量占油田钻探总进尺的比例已由十年前的不足 

为切削齿的PDC钻头与硬质合金牙轮钻头相比,使用 

寿命长,钻进速度(ROP)快,而且结构简单,没有活动 

部件,在很大程度上降低了钻井成本,提高了效率,还 

从结构上消除了事故隐患。在地层相同的情况下, 

PDC钻头与牙轮钻头相比,机械钻速可以提高33%一 

16%增加到了目前的约60%_2 J。但在钻进硬地层和 

软硬交错地层时,PDC钻头的使用仍然受到限制。这 

是因为PDC是在高温、超高压条件(1300—1500oC、5 

7 GPa)下由金刚石微粉与硬质合金基体烧结而成 

的,由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差太大,在 

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第2期 徐国平等:聚晶金剐石复合片(PDC)残余应力的检测方法 

卸压冷却过程中复合片容易在界面产生很大的残余应 

力。残余应力的存在使复合片强度降低,尤其在承受 

较强外力或温度变化较大时,金刚石层容易破损或从 

基体上剥落,导致PDC失去切削能力而失效。因此, 

寻求合适的PDC残余应力的检测方法对改进PDC的 

设计和合成工艺、生产低残余应力的PDC具有重要 

意义。 

向外膨胀,释放压缩应力(图1中的B点)。此外,相 

对坚硬的合金基体被去除后,金刚石层会产生轻微的 

弯曲,使得金刚石层表面处于张应力状态(图1中的C 

点)。随着基体厚度逐渐减薄至零,金刚石层充分膨 

胀,表面应力为零(图1中的D点)。 

从图中可见,测试结果与有限元的分析结果相当 

吻合。不过这种方法是破坏性的,而且在材料去除过 

2残余应力的检测方法 

迄今为止,国内尚无人对PDC残余应力的检测作 

过研究。国外最新报道的对PDC残余应力的检测方 

法主要有应变片测试法、中子衍射法和带高能同步加 

速器x射线衍射法。 

2.1 应变片测试法 

应变片测试法普遍应用于金属残余应力的测量。 

它的原理是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。 

美国合成金刚石公司(US Synthetic Corporation)的 

Bertagnolli将WA一06—030WR一120型应变片粘贴于 

(I)13.5×8mmPDC的金刚石层表面中心_3 J,然后依次 

磨掉不同厚度的硬质合金基体,应变片记录下基体厚 

度改变时PDC金刚石层表面的应变量。假设所有硬 

质合金基体被去除后金刚石层是无应力的,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PDC金刚石层表面残余应力与基体厚度的 

关系(图1)。 

图1 1308PDC表面残余应力测量值与计算值的比较 

室温下基体完整时,PDC的金刚石层表面受压缩 

应力(图1中的A点)。当基体被磨去,金刚石层开始 

程中容易引人误差。 

2.2 中子衍射法 

中子衍射法是测量残余应力的另一种选择,它是 

种无损检测方法,同时克服了x射线衍射法穿透深 

度的限制。 

Paggett J W等人采用美国密苏里大学残余应力测 

定仪,使用波长1.6557的中子束对(I)13.5×3.5mm 

PDC金刚石层的应力及整个PDC轴向的应力梯度进 

行了测试 。 

被测试样的衍射峰位置与其晶格空间直接相关, 

有应力与无应力试样衍射峰的偏移与应变的关系为: 

= 一 

. 

其中£是应变,0 是无应力的标准参照样的布拉 

格角,0是有应力的布拉格角。 

根据应变可由下式求得应力: 

E 

G=——£ 

一 

式中E为弹性模量, 为泊松比。 

测量PDC金刚石层的平均平面应力时,将两个相 

同试样面对面放置在一个铝制的固定装置上,测试过 

程中两片PDC沿其共有的轴旋转,该轴垂直于衍射平 

面。入射中子束限制在3 mm高度范围内,包围整个 

金刚石层(图2),这样测得的应变为整个金刚石层径 

向和切向的平均应变值。通过应变计算出的标准PDC 

的残余应力值为一392 4-50MPa。 

一一一一..

I 

 

:3ram 

。’一一— 广 

图2通过狭缝限制入射光束高度以测量 

金刚石层残余应力 

为测量PDC的平面应力梯度,Paggett等人采用了 

10.16 cm长的氮化硼准直仪将中子束限制在0.5 mm 

高、8 mm宽的范围(图3),准直狭缝置于试样边缘1 

mm内,使得到达试样的光束发散最小。铝制的试样 

台固定在一个可三维移动的转换器上,使试样处于轴 

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32 金刚石与磨料磨具工程 总第158期 

中心位置,并保证光束能垂直扫描试样。如此测得的 

应变为照射区域的平均应变,在试样上的垂直分辨率 

约0.5 mm。试样在测试时绕垂直于衍射面的轴旋转。 

狭缝限定了衍射体积,衍射能量被高分辨率低温冷却 

固态Ge探测器收集。 

入射和衍射光狭缝高度设置为Ay=100 1 ̄,宽度为 

Ax=300 。入射和衍射光的两条狭缝巧妙地限定了 

个如图5所示的菱形测量体积。根据这一几何图 

形,测量体积可计算至0.014ram。,散射角设定为12。。 

WC.cO 

金刚石 

图3测量PDC的平面应力梯度时,狭缝限制 

入射光束照射区域为0.5×8mm 

测量应力梯度时,采用金刚石的311峰代替220 

峰以避免当测量区域移动到界面时WC221峰的干扰。 

图4是中子衍射法测得的标准PDC的残余应力梯度。 

然而,中子衍射法也有其自身的缺点,如低的散射强度 

和有限的中子有效性。 

空气 金刚石, 

1 wc・c。 空气 

i㈠ lt

Iij_{{_ 

一 {} }l● { { I i l i 

一 

一 

{ 

图4 中子衍射法测得的标准PDC的残余应力梯度 

2.3 高能同步加速器x射线衍射法 

传统的x射线、拉曼光谱和中子散射技术通常是 

材料应变的直接、无损检测方法。但较浅的穿透深度 

使得x射线、拉曼光谱只能用于非常接近材料表面的 

区域。中子衍射具有较深穿透力,但较弱的散射使其 

取样体积不能小于1mm 。在残余应力/应变的分布情 

况测量与检测技术的空间分辨率之间还有一道鸿沟。 

采用具有较深穿透力的高能x射线散射技术在这道 

鸿沟上架起了一座桥梁。 

Bertagnolli K E等人在测试中使用的能量散射x 

射线衍射(energy dispersive X—ray difraction简称 

EDXRD)装置如图5所示 J,高能x射线(40— 

200keY)由X17B1产生,高能射线能穿透直径19mm 

的PDC样品。在本实验中,入射和衍射光的通道是固 

定的,而样品在一个微型定位台上移动。原点设置在 

金刚石/基体界面(X=0)、PDC外径(Y=0)和PDC中 

心线(z:0)。入射和衍射光路2mm厚的Ta金属准直 

图5 EDXRD示意图 

测试时按从基体到界面到金刚石层的顺序沿x 

轴扫描试样。由于WC基体完全阻挡了光束,基体部 

分产生的散射强度为零。当光束进入金刚石层,被 

WC吸收的能量减少,散射强度逐渐增加。利用x射 

线散射强度变化生成的PDC金刚石层中金属分布的 

断层图像见图6。在所有测试的样品当中,散射强度 

随着与界面距离的增加而持续增加。这可解释为离界 

面越远,金刚石层中金属成分越低(吸收的能量越 

少)。由图6可见,细粒度的(1308F)和分层(中粒度 

上增加一层细粒度)的PDC(1308L1)靠近金刚石表面 

的金属含量均显著减少。 

詈 

器 

、一 

离 

接 

轻 

图6 四种PDC的散射强度分布图 

从中心到边缘沿Y方向12个点收集EDXRD光 

谱,从界面到金刚石表面沿x方向6个点收集EDXRD 

光谱。这些光谱捕捉了径向应变8 ,因为径向应变元 

垂直于入射线。另两组扫描在两个深度沿WC基体从 

界面到底部,捕捉基体的径向应变8 。 

探测器在每个点的曝光时间是120 SeC,1308B的 

EDXRD光谱见图7,中粒度金刚石和WC一13%Co基 

体的光谱也列入图中作为参照。重要的金刚石衍射峰 

标明在图上,金刚石(331)布拉格线用于确定平面空 

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第2期 徐国平等:聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的检测方法 33 

的残余应力,并正在进行这方面的尝试。 

参考文献 

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2 Scott D E.The History and Impact of Synthetic Diamond Cutters andDia・ 

一协jJc,’cI-l幅~ 3J cm—c一 

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bet20—21,2005 

3 Bertagnolli KE,and Vale R. Understndiang and Controlling Residual 

Stresses in Thick Polycrystalline Dimond Cutaters for Enhanced Durabili・ 

085 0 7 0 75 08 085 1 O5 1 1 1,15 ’2 

空阐位移(置) I)-空闻位移{置) 

ty.Proceedings[C].An Intenrational Technicla Cofneernce on Dimoand, 

Cubic Boron Nitride and their Applications,Vancouver,Canada,July 17 

21,2000 

图7 1308B试样典型的EDXRD光谱与金刚石粉和 

硬质合金光谱的比较 

4 Paggett J W,Drake E F,et a1.Residual stress and stress gradients in 

问位移△d,(311)和(511)线用来检查结果的一致性。 

由图7可见,1308B ̄试样的金刚石衍射峰移到了较高 

的D一空间,表明晶格中存在拉伸应变。 

polycrystllaine dimond compactas[J].International Journal of Refractory 

Metls&Harad Materials,2002,20:187 

5 BertagnolliK E,Vail M A,et a1.Hish—Energy Synchrotron X—Ray 

Investigation of Residual Stress/Strain and Metl aDistribution in Polycrys— 

3结语 

上述的几种检测方法均能有效地表征PDC的残 

tllaine Diamond Compacts.[C]Proceedings,1 ‘International Industirl a

Diamond Conference,Barcelona,Spain,October20—21,2005 

作者简介 

余应力且各有其特点,除了应变片测试法,后两种方法 

的检测设备极为昂贵、稀少,难以在工作中采用。笔者 

注意到目前金刚石薄膜研究领域测内应力普遍采用的 

拉曼光谱法和可变掠射角XRD法似可用于检测PDC 

(上接第27页) 

参考文献 

1李力群.水剂冷却液的试验与应用[J].机械工程师,2005(4):106 

徐国平(1962一),男,高级工程师,博士研究生,主要从事超硬 

复合材料的高压合成。 

收稿日期:2006—11—21 

(编辑:王琴) 

6王成勇等.石材锯切冷却液对金刚石刀具寿命的影响[J].石材, 

1994(2):50~51 

2隆威等.金刚石圆锯片切割石材过程中的冷却润滑剂的作用机理探 

讨[J].非金属矿,1992(6):46 

第一作者简介 

张绍和(1967一),男,湖北鄂州人,中南大学副教授,博士(后), 

从事超硬材料与制品、难切磨削材料加工、钻探工程等方面的 

教学和科研工作。 

E—mail:zhangsh@mail.CSU.edu.en 

3鲁凡.冷却液对金刚石一岩石磨擦副润滑作用的测定[J].中南矿冶 

院学报,1994(6):675~676 

4王星华.冷却液提高金刚石锯片切削寿命机理分析[J].西南交通大 

学学报,1996(3):303。 

收稿日期:2006—11—8 

5胡焕校等.岩粉对金刚石锯片胎体磨损的影响及其浓度计算[J].中 

国有色金属学报,1998(3):170~171 

(编辑:张慧) 

(上接第29页) 

组成的稳定性好于形貌分析系统; 

(2)对于同一样品,形貌分析系统测试的基本粒 

少于振筛机系统; 

第一作者简介 

张宝法,男,大学本科,1967年生。现任河南金渠黄金股份有限 

公司常务副总经理,主要从事人造金刚石方面的研发和管理 

工作。 

收稿日期:2006—11—10 

(3)形貌分析系统测试粒度分布结果受金刚石晶 

形的完整性、对称性影响较大。 

参考文献 

1 张世良等.Diashape系统中金刚石晶体纯净度定义的讨论.金刚石与 

磨料磨具工程,2004(3);17—20 

(编辑:张慧)