本文關(guān)鍵詞： 聚晶金剛石復(fù)合片(PDC) 失效分析 有限元模擬 殘余應(yīng)力 結(jié)構(gòu)分析　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline diamond compact,簡(jiǎn)稱PDC)由于其極高的耐磨性、硬度與良好的抗沖擊性、可焊接性,已廣泛應(yīng)用于油氣鉆探、礦石開采以及有色金屬加工等領(lǐng)域。然而在PDC由高溫冷卻至室溫的過程中,由于金剛石層(Polycrystalline diamond layer,簡(jiǎn)稱PCD層)與硬質(zhì)合金襯底之間以及金剛石微粉與Co相之間熱膨脹系數(shù)的差異,某些部位產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,導(dǎo)致PCD層產(chǎn)生微觀裂紋,造成產(chǎn)品不合格。故殘余應(yīng)力分布與大小的優(yōu)化是PDC制備的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文先以PDC1613為研究對(duì)象,對(duì)PCD層表面邊緣處裂紋的失效原因進(jìn)行探究。再以PDC1913為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法對(duì)PCD層表面殘余應(yīng)力的大小與分布進(jìn)行分析,并對(duì)界面結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力大小與分布的影響進(jìn)行探究,提出相關(guān)優(yōu)化方法。實(shí)驗(yàn)方面,對(duì)采用鈷擴(kuò)散浸漬燒結(jié)法(亦稱鉆掃越式催化再結(jié)晶法,簡(jiǎn)稱STCR)制備的PDC樣品進(jìn)行界面形態(tài)、組織形貌、成分分布、物相組成以及殘余應(yīng)力表征與測(cè)試。結(jié)果表明:PCD層與硬質(zhì)合金襯底界面結(jié)合良好;燒結(jié)體較為致密,未出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象;PDC1613A邊緣裂紋處發(fā)現(xiàn)Co含量較無裂紋處偏高。數(shù)值模擬方面,建立了描述聚晶金剛石復(fù)合片冷卻過程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)物理模型,采用三維"熱-力"物理場(chǎng)順序耦合模擬的方法,經(jīng)ABAQUS軟件模擬了 PDC1913樣品的殘余應(yīng)力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好,說明模型符合實(shí)際情況。并進(jìn)一步模擬分析了 PCD層厚度H、加強(qiáng)筋傾斜角度Y、加強(qiáng)筋兩側(cè)面夾角θ、邊緣臺(tái)階深度D和寬度W等對(duì)PDC殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:伴隨著PCD層厚度H的增加,中心區(qū)域的徑向壓應(yīng)力減小,邊緣區(qū)域部分由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力,拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大;加強(qiáng)筋傾斜角度Y越小,徑向應(yīng)力的變化越平穩(wěn),拉應(yīng)力區(qū)域略微擴(kuò)大,拉應(yīng)力峰值幾乎沒有變化;加強(qiáng)筋兩側(cè)面夾角θ對(duì)徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的大小均影響甚微;邊緣臺(tái)階深度D的增加與邊緣臺(tái)階寬度W的減小,可以減小邊緣最大徑向拉應(yīng)力的數(shù)值,縮小拉應(yīng)力區(qū)域。綜上所述,通過實(shí)驗(yàn)分析和有限元模擬表明:Co含量的局部偏高與邊緣徑向拉應(yīng)力結(jié)合,導(dǎo)致PCD上表面邊緣出現(xiàn)裂紋風(fēng)險(xiǎn)加大。生產(chǎn)單位根據(jù)結(jié)果分析,適當(dāng)降低了 Co含量,使產(chǎn)品的合格率有較大提高。
[Abstract]:Polycrystalline diamond compact (PDC) has been widely used in oil and gas drilling because of its high wear resistance, hardness, good impact resistance and weldability. However, in the process of PDC cooling from high temperature to room temperature, due to the difference of thermal expansion coefficient between diamond layer (PCD) and cemented carbide substrate and between diamond powder and Co phase, The residual tensile stress in some parts leads to microcracks in the PCD layer, which results in unqualified products. Therefore, the optimization of residual stress distribution and size is one of the key techniques in the preparation of PDC. Firstly, PDC1613 is taken as the research object in this paper. The failure causes of cracks at the edge of the surface of PCD layer are investigated. The residual stress distribution on the surface of PCD layer is analyzed by the method of combining experiment and simulation with PDC1913 as the research object. The influence of geometric parameters of interface structure on the residual stress distribution and magnitude was investigated, and some optimization methods were put forward. In the experiment, the cobalt diffusion impregnation sintering method (also known as drilling sweep catalytic recrystallization method) was used. The interfacial morphology, microstructure, composition distribution, phase composition and residual stress of the PDC were characterized and measured. The results show that the interface between the PDC layer and the cemented carbide substrate is good, and the sintered body is compact. There is no graphitization phenomenon at the edge crack of PDC1613A and the content of Co is higher than that without crack. In the aspect of numerical simulation, a mathematical and physical model describing the temperature field and stress field in the cooling process of polycrystalline diamond composite sheet is established. The residual stress of PDC1913 sample was simulated by ABAQUS software by using the method of three dimensional "thermal-force" physical field sequential coupling simulation. The experimental results are in good agreement with the simulation results. The results show that the model accords with the actual situation, and the influence of the thickness of PCD layer H, the inclined angle of reinforcing reinforcement, the angle 胃 between the two sides of reinforcement, the depth of edge step D and width W on the residual stress of PDC are further simulated and analyzed. The results show that:. With the increase of the thickness of PCD layer H, The radial compressive stress in the center region decreases, the edge region changes from compressive stress to tensile stress, and the tensile stress region expands. The smaller the angle Y of the reinforcement is, the more stable the change of radial stress is, and the smaller the tensile stress area is. The peak value of tensile stress is almost unchanged, the angle 胃 on both sides of stiffener has little effect on the magnitude of radial stress and circumferential stress, and the depth D of edge step increases and the width of edge step W decreases. The maximum radial tensile stress of the edge can be reduced, and the region of the tensile stress can be reduced. In conclusion, the experimental analysis and finite element simulation show that the partial high of the fraction Co content is combined with the radial tensile stress of the edge. According to the analysis of the results, the content of Co is reduced appropriately, and the qualified rate of the product is greatly improved.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ163

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