Марка алмазного зерна определяет его прочность, связанную, прежде всего с содержанием примесей, совершенством формы, внутренней и поверхностной дефектностью [167]. Каждой марке соответствуют определенные термобарические и кинетические условия синтеза, состав растворителя углерода, марка графита, расположение реакционных компонентов, технология обогащения, режимы дробления и сортировки, которые и обеспечивают необходимый уровень ее прочностных свойств.
Наиболее важным параметром, определяющим целостность алмазных зерен в процессе спекания кругов, является их прочность. Причем, находясь в условиях одноосного сжатия при брикетировании или горячей допрессовке, зерна могут разрушаться не только от напряжений сжатия, но и от напряжений растяжения, действующих в направлении, перпендикулярном приложению сжимающей нагрузки. Поскольку предел прочности при растяжении несколько ниже предела прочности при сжатии, то в качестве критерия разрушения принимались полученные расчетным путем значения предела прочности при растяжении алмазов различных марок и зернистостей.
Экспериментальное определение предела прочности при растяжении алмазных зерен традиционными методами невозможно из-за сложности из
готовления стандартных образцов требуемых размеров, поэтому его значения находили косвенно по результатам испытаний на диаметральное сжатие [201]. При этом возникали две группы дополнительных методических погрешностей, первая из которых обусловлена отличием реального контакта образца с опорами нагружающего устройства от идеального, а вторая связана с обоснованием выбора критерия прочности — необходимостью применять одну из теорий прочности для расчета ар по результатам испытаний на диаметральное сжатие ak [121]:
P
ak = ~Т1, (3.1)
dt
где ak — средняя по сечению прочность, определяемая при диаметральном сжатии образца диаметром d и высотой t разрушающим усилием Р. Для перехода от ak к ар использовали выражение вида:
ар = Bak, (3.2)
 |
 |
 |
где B — коэффициент, зависящий от выбора критерия прочности. В случае хрупких материалов, какими являются СТМ, наиболее достоверным является критерий Г. С. Писаренко — А. А. Лебедева [48], учитывающий их структурную неоднородность. Учет этого критерия в выражении (3.2), а также ряд преобразований и упрощений привели к выражению:
где ac — предел прочности при одноосном сжатии.
На основе данных о прочности алмазных зерен при статическом сжатии [149] вычислялись ар для всех марок исследуемых алмазных зерен
(табл. 3.2).
Полученные таким образом значения предела прочности при растяжении использовались в качестве сравнительной базы. Считалось, что объем, в котором приведенные напряжения превышают эти предельные значения, разрушится.
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Поскольку на прочность шлифпорошков алмазов оказывает влияние ряд факторов, то, определив степень значимости каждого из них, в рассматриваемой модели учитывали наиболее важные. Несмотря на то, что примеси в алмазных кристаллах представляют собой и остатки металлов — растворителей, используемых при синтезе, и газы, преимущественно кислород, водород, а также графит и элементы, содержащиеся в материалах контейнера и находящиеся в реакционном объеме камер высокого давления, основную массу включений, как правило, составляют металлы. Алмазы, полученные в различных ростовых системах, имеют различный качественный состав металлических включений: для системы Ni-Mn-C — это в основном Ni, Mn, Ca, Si, и Fe; для Fe-Co-C — Fe, Co, Mn, и Cr; для Fe-Ni-C — Fe, Ni, Cr, и Mn. Хотя количественно состав примесей в зернах алмаза одной и той же марки может изменяться в довольно широком диапазоне, однако для каждой марки существует наиболее вероятное их количество, определяемое не только условиями синтеза, но и сортировки.
На прочность алмазных зерен значительное влияние оказывают также форма (габитус), которая может меняться от игольчатой и пластинчатой до изометричной, кристалломорфологический тип алмазного зерна, который может быть представлен монокристаллами, их осколками, сростками, агрегатами и поликристаллами [149], топография поверхности зерна, изменяющаяся от гладкой до шероховатой с выемками, наростами, трещинами, раковинами и пустотами. Из-за трудностей учета многообразия форм и топографии поверхности алмазных зерен (его форма представлялась октаэдром, что соответствует действительности лишь для марки АС32 и выше), отличие в прочностных свойствах различных марок алмазных зерен в модели выражалось разным количественным составом металлических включений в них, которые представляли собой твердый раствор металлов Ni и Mn.
Расчеты влияния на величины напряжений и энергии деформации в алмазных зернах различных марок показали, что прочность является определяющим фактором разрушения зерна. Во-первых, поскольку каждой марке алмазного зерна соответствует определенное значение предела прочности, которое снижается по мере уменьшения числового индекса марки и превышение которого свидетельствует о нарушении целостности зерна. Во-
вторых, поскольку каждой марке алмазного зерна в расчетной модели соответствует определенное количество включений, это вносит существенные изменения не только в картину распределения напряжений во включениях, их численные значения, но и в напряженно-деформированное состояние всего алмазного зерна.
 |
Для всех рассматриваемых марок алмазных зерен наибольшие значения напряжений соответствуют областям вблизи включений (рис. 3.9). Очевидно, это объясняется существенным различием приведенного модуля упругости и коэффициента термического расширения (~ в четыре раза) эвтектики Ni+Mn и соответствующих свойств алмаза, что под воздействием температуры спекания приводит к расширению включений на 15-20 % [128]. Возникающее при этом внутреннее давление обуславливает значительные напряжения по контуру включений.
Чем меньше индекс марки алмазного зерна, тем больший объем занимают в нем металлические включения, инициируя большие не только по занимаемой площади, но и по величине напряжения в зерне, снижающейся в направлении от включений к периферии (рис. 3.10). Главные напряжения, превышающие предел прочности на растяжение алмаза, занимают 72 % объ
ема зерна марки АС4, 56 % — марки АС6 и 35 % — марки АС15 для зернистости 125/100 и связки М6-14.
Увеличение содержания включений в объеме алмазного зерна с 0.5 до 10 % приводит к увеличению значений главных напряжений почти в 2.5 раза, энергии деформации — в 5 раз, плотности энергии деформации почти — 10 раз. Данные показатели напряженно-деформированного состояния спекаемого алмазоносного слоя представлены на рис. 3.11.
 |
 |
Монокристаллические зерна марок АС15, АС20, АС32 при спекании со связками на железо-никель-кобальтовой основе могут разрушаться вследствие образования внутренней дисковой трещины, ориентированной перпендикулярно к области сосредоточения металлических включений. Для таких высокопрочных марок алмаза как АС50…АС160 максимальные растягивающие напряжения, возникающие в зернах при спекании с различными металлическими связками, в 5.10 раз меньше их предела прочности, что практически исключает разрушение этих зерен (рис. 3.12).
 |
 |
АС2 АС4 АС6 АС15 АС20АС32 АС50 АС65АС80АС100АС125АС160
Марка алмазного зерна
Рис. 3.12. Гистограмма расчетных главных напряжений и предела прочности при растяжении для различных марок алмаза