金剛石晶體，由于光怪陸離，美麗奪目，硬度極大，從遠(yuǎn)古時(shí)起就引起了人們極大的關(guān)注，當(dāng)時(shí)主要用于制作裝飾品。金剛石晶體具有比熱低、導(dǎo)熱性好，機(jī)械強(qiáng)度大，抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，在工業(yè)上獲得重要應(yīng)用。特別是從20世紀(jì)50年代中期美國(guó)和瑞典在超高壓(3⁵～10⁵)atm條件下分別成功地用石墨人工合成出金剛石以來，產(chǎn)量急劇上升，質(zhì)量穩(wěn)步提高，品種不斷擴(kuò)大，有力地推進(jìn)了世界工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。

      人造金剛石是在超高壓設(shè)備上合成的。靜態(tài)超高壓設(shè)備由液壓系統(tǒng)、超高壓裝置與加熱系統(tǒng)所組成。超高壓裝置的作用是將液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的活塞推力轉(zhuǎn)化為對(duì)合成坯塊的超高壓力。超高壓裝置位于活塞前端，由大墊塊、小墊塊、鋼環(huán)、頂錘和傳壓介質(zhì)組成，如圖5-64所示。

      硬質(zhì)合金頂錘是超高壓裝置中的關(guān)鍵構(gòu)件。在圖5-64所示的裝置中，6個(gè)頂錘面構(gòu)成一個(gè)立方體高壓腔，葉蠟石作為傳壓介質(zhì)置于高壓腔內(nèi)，在高溫(導(dǎo)電頂錘)、高壓和觸媒的作用下，石墨發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成金剛石晶體。

      硬質(zhì)合金頂錘工作時(shí)受交變的外載應(yīng)力與熱應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，頂錘發(fā)生破壞。由于頂錘邊界及載荷分布的不規(guī)則性，采用下述兩種方法分析硬質(zhì)合金頂錘的受力情況：

      (1)光測(cè)應(yīng)力分析

      為了模擬頂錘的實(shí)際受力情況，采用鋼球(直徑為1 mm)杠桿加載裝置，如圖5-65所示。在頂錘模型與鋼球之間墊兩層各為1 mm厚度的薄橡皮，并假定鋼環(huán)對(duì)頂錘圓柱面的預(yù)緊力可以忽略。通過杠桿一端的砝碼對(duì)頂錘模型頂部加載。為保證載荷的對(duì)稱性，在頂錘模型4個(gè)斜面上安置電阻應(yīng)變片，采用電阻應(yīng)變儀測(cè)量與校正載荷的對(duì)稱性。

      頂錘模型的尺寸與實(shí)際頂錘尺寸相同。模型采用環(huán)氧樹脂材料，其成分與配比(按質(zhì)量)為：6101#環(huán)氧樹脂100份；失水蘋果酸干30份；苯二甲酸二丁酯5份。

      將模型進(jìn)行凍結(jié)，并加載100kg，然后進(jìn)行切片及研磨拋光。在光彈性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)定，分別拍攝明暗背景時(shí)的等色線照片，采用圖解法進(jìn)行計(jì)算，得到頂錘模型的應(yīng)力分布曲線。

      規(guī)定圖中標(biāo)記(+)表示拉應(yīng)力，圖標(biāo)←□→表示拉應(yīng)力及方向；標(biāo)記(-)表示壓應(yīng)力，圖標(biāo)←□→表示壓應(yīng)力及方向。應(yīng)力曲線圖上的數(shù)值為模型切片1mm厚度上的條紋值，據(jù)此可按下式計(jì)算出實(shí)際頂錘各點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力：

      σ真實(shí)=0.32Pσn(GPa)

      式中：P—活塞壓力，MN；

      σn—條紋值。

      由此得到頂錘各部位的應(yīng)力及分布情況如圖5-66所示。

      頂錘中心軸0-0＇上的應(yīng)力及分布。應(yīng)力分布曲線示于圖5-67。由于垂直于σ1、σ3的另一主應(yīng)力σ2的大小與方向同σ1，故在圖上未注明。從圖可以看出，頂錘頂面中心0點(diǎn)上具有最大的壓應(yīng)力，σn=-3.8，在中心軸的下半部分(0＇-0″區(qū)域)存在拉應(yīng)力。

      46°斜面對(duì)稱線C-C＇上的應(yīng)力及分布。沿C-C＇方向平行于46°斜面切片的等色線如圖5-68所示，其應(yīng)力分布曲線見圖5-69。在C-C＇上大部分區(qū)域均存在拉應(yīng)力。從圖看出，在C″處具有最大拉應(yīng)力，其條紋值為+0.63。

      (2)有限元應(yīng)力分析
      計(jì)算時(shí)的坐標(biāo)軸選取如下，以頂錘頂面的正方形中心為原點(diǎn)，頂錘中心軸為z軸，方向指向底面，石軸與l，軸通過頂面中心，如圖5—70所示。取第一象限并包含X軸的1/8部分進(jìn)行分析計(jì)算，將頂錘1/8部分分成1771個(gè)單元和465個(gè)節(jié)點(diǎn)。
      沿中心軸的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表5-41。46°斜面對(duì)稱線上的應(yīng)力計(jì)算值列于表5-42。由計(jì)算結(jié)果可以看出，最大壓應(yīng)力發(fā)生在中心軸上距頂面4.6mm處，最大壓應(yīng)力值為5.752GPA;最大拉應(yīng)力發(fā)生在46°斜面對(duì)稱線上，最大拉力值為0.37 GPa；最大剪切應(yīng)力發(fā)生在中心軸上距頂面10.6 mm處，最大剪切應(yīng)力值為1.805 GPa。

      (3)光測(cè)應(yīng)力分析與有限元應(yīng)力分析結(jié)果比較兩種應(yīng)力分析方法盡管不同，但它們所得出的應(yīng)力分布規(guī)律具有一致性，最大應(yīng)力的大小與作用點(diǎn)位置基本相同。

      硬質(zhì)合金頂錘是在多次升降壓和升降溫的過程中破裂的。硬質(zhì)合金頂錘失效具有以下特征：在頂錘46°大斜面上首先產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展而失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生這種破壞所消耗的頂錘的數(shù)量占頂錘總消耗量的85%。仔細(xì)觀察還發(fā)現(xiàn)，在頂面往下存在一明顯的葫蘆瓜形區(qū)域，此區(qū)界面最低點(diǎn)離頂錘頂面中心約13mm，黑亮的光滑斷裂面一般都出現(xiàn)在葫蘆瓜形區(qū)域的界面附近，表明疲勞首先在該處發(fā)生，并向縱橫方向延伸。頂錘其他部分呈瞬時(shí)斷裂狀，表面比較粗糙。由分析可知，頂錘失效的特征與光測(cè)應(yīng)力分析及有限元應(yīng)力分析得出的結(jié)果相吻合。

      根據(jù)受力分析，在硬質(zhì)合金頂錘的上部，距頂面20mm以上部分，承受高的壓應(yīng)力與高的切應(yīng)力，要求材料具有高的抗壓強(qiáng)度，抗剪切強(qiáng)度及硬度；在頂錘上部距離頂面20mm以下及46°斜面上，拉應(yīng)力較高，要求材料具有較高的抗拉強(qiáng)度。對(duì)于硬質(zhì)合金而言，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有較高的抗壓強(qiáng)度，較高的抗剪切強(qiáng)度以及高的硬度，中等晶粒且黏結(jié)劑含量較高的硬質(zhì)合金其抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較高。因此，為了使頂錘材料能適應(yīng)于應(yīng)力變化的要求，在頂錘體內(nèi)不同部位可采用不同晶粒度的硬質(zhì)合金，如圖5-71所示。

      通過分層鋪疊裝粉方法，將不同WC晶粒度、含鈷量和其他化學(xué)成分的硬質(zhì)合金粉末分層壓制在一起的梯度結(jié)構(gòu)頂錘，然后經(jīng)過液相燒結(jié)，制備出梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金頂錘。構(gòu)造法制備的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金頂錘，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是不同料層的燒結(jié)收縮協(xié)同問題；二是燒結(jié)時(shí)明均勻化問題。

      不同粉末的收縮系數(shù)不同，選擇合適壓制工藝參數(shù)，從而控制不同層的燒結(jié)些縮系數(shù)。不同wc粒度粉末制得的壓坯燒結(jié)收縮率與壓制壓力的關(guān)系如圖5-72所示。選擇兩種混合料燒結(jié)收縮率曲線交點(diǎn)處的壓制壓力，保證燒結(jié)產(chǎn)品的收縮一致性，進(jìn)而保證產(chǎn)品的尺寸精度。而不同層的成分、晶粒尺寸不同，導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)構(gòu)造的梯度結(jié)構(gòu)可能因液相流動(dòng)、晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象而被消除，需要精準(zhǔn)的成分設(shè)計(jì)及燒結(jié)工藝控制。