語(yǔ)"殘余應(yīng)力狀態(tài)"指的是在沒(méi)有外部施加的負(fù)荷力的情況下，主體 或部分主體的應(yīng)力狀態(tài)。包括層結(jié)構(gòu)的PCD結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力狀態(tài)可以通過(guò)應(yīng)變儀并逐漸 地逐層去除材料來(lái)測(cè)定。在P⑶元件的一些實(shí)施例中，至少一個(gè)壓縮區(qū)域可以具有至少約 50MPa、至少約lOOMPa、至少約200Mpa、至少約400MPa或甚至至少約600MPa的殘余壓應(yīng)力。 在相鄰層之間的殘余應(yīng)力的大小差異可以是至少約50MPa、至少約lOOMPa、至少約200MPa、 至少約400MPa、至少約600MPa、至少約800Mpa或甚至至少約lOOOMPa。在一個(gè)實(shí)施例中，至 少兩個(gè)連續(xù)的壓縮區(qū)域或張拉區(qū)域可以具有不同的殘余應(yīng)力。PCD結(jié)構(gòu)可以包括至少三個(gè) 壓縮區(qū)域或張拉區(qū)域，每一個(gè)均具有不同的殘余壓應(yīng)力，所述區(qū)域分別以壓應(yīng)力或張應(yīng)力 大小遞增或遞減的次序設(shè)置。
[0096] 在一個(gè)實(shí)例中，每一個(gè)區(qū)域的平均韌性可以是至多16MPa.m1/2。在一些實(shí)施方案 中，每一個(gè)區(qū)域的平均硬度可以是至少約50GPa或至少約60GPa。每一個(gè)區(qū)域的平均楊氏模 量可以是至少約900MPa、至少約950MPa、至少約1000或甚至至少約1050MPa。
[0097] 本文使用的"橫向抗裂強(qiáng)度"（TRS)通過(guò)以下方式測(cè)量：使具有寬度W和厚度T的 桿形式的樣本經(jīng)受在三個(gè)位置施加的載荷，其中兩個(gè)位置處于樣本的一側(cè)，一個(gè)位置處于 相對(duì)的一側(cè)上，并以一定的加載速率增加載荷，直到樣本在載荷P時(shí)折斷。然后基于載荷 P、樣本的尺寸、跨度L來(lái)計(jì)算該TRS，跨度L是在一側(cè)上的兩個(gè)載荷位置之間的距離。上述 的測(cè)量方式也可以稱為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，并且由D. Munz和T. Fett在"Ceramics, mechanical properties, failure behaviour, materials selection"（1999, Spring，Berlin)中描述。 測(cè)定對(duì)應(yīng)于特定等級(jí)的PCD材料的TRS通過(guò)測(cè)定由該級(jí)構(gòu)成的PCD的樣本的TRS來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0098] 盡管提供具有含交替的壓應(yīng)力狀態(tài)和張應(yīng)力狀態(tài)的PCD層的PCD結(jié)構(gòu)傾向于增加 PCD結(jié)構(gòu)的整體有效韌性，但是這可以具有增加潛在的分層發(fā)生率的效果，其中層傾向于分 開。盡管不希望受特定理論的束縛，如果PCD層不夠堅(jiān)固以經(jīng)受它們之間的殘余應(yīng)力，則可 能傾向于出現(xiàn)分層。這種結(jié)果可以通過(guò)選擇PCD等級(jí)和特別形成張拉區(qū)域的PCD等級(jí)來(lái)改 善，從而具有足夠高的TRS。PCD等級(jí)的TRS或者形成張拉區(qū)域的PCD等級(jí)的TRS應(yīng)當(dāng)大于 其可以經(jīng)受的殘余張力。影響區(qū)域可能承受的應(yīng)力大小的一種方式是，選擇相鄰區(qū)域的相 對(duì)厚度。例如，通過(guò)選擇張拉區(qū)域的厚度，使其大于相鄰的壓縮區(qū)域的厚度，可以減小張拉 區(qū)域內(nèi)的張應(yīng)力的大小。
[0099] 區(qū)域的殘余應(yīng)力狀態(tài)可以隨著溫度而改變。在使用中，PCD結(jié)構(gòu)的溫度在靠近切 削刃的點(diǎn)和遠(yuǎn)離切削刃的點(diǎn)之間可能大有不同。在一些應(yīng)用中，靠近切削刃的溫度可以達(dá) 到幾百攝氏度。如果溫度超過(guò)約750攝氏度，在例如鈷的催化劑材料存在的情況下，金剛石 材料可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭牧希@是不希望的。因此，在一些應(yīng)用中，在高達(dá)約750攝氏度的 溫度下應(yīng)當(dāng)考慮本文所述的在相鄰區(qū)域中的交替應(yīng)力狀態(tài)。
[0100] 通過(guò)劈裂試驗(yàn)（diametral compression test)的方式來(lái)測(cè)定PO)圓盤的K1C韌 性，這由 Lammer ( "Mechanical properties of polycrystalline diamonds"，Materials Science and Technology，volume 4，1988，ρ·23·)和 Miess(Miess，D.和 Rai, G.，"Fracture toughness and thermal resistances of polycrystalline diamond compacts"，Materials Science and Engineering, 1996, volume A209, number Ito 2, pp. 270-276)描述。
[0101] 楊氏模量是一種彈性模量，并且是在材料表現(xiàn)出彈性的應(yīng)力范圍內(nèi)，根據(jù)單軸向 應(yīng)力來(lái)測(cè)定的單軸向應(yīng)變。測(cè)定楊氏模量E的一個(gè)優(yōu)選方法是根據(jù)等式E = 2 P . CT2(1+ υ ) 測(cè)定經(jīng)由材料的聲速的橫向分量和縱向分量，等式中u = (1-2(Ct/CJ2V(2-2(Ct/CJ2)， 其中CjP Ct分別是測(cè)得的經(jīng)由材料的縱向聲速和橫向聲速，P是材料的密度。在現(xiàn)有技 術(shù)中已知的是，可以使用超聲波測(cè)量縱向和橫向聲速。如果材料是不同材料的復(fù)合物，則可 以通過(guò)三個(gè)公式之一估算平均楊氏模量，即如下的諧波公式、幾何公式和混合法則公式：E =IAfVEJfVE2)) ;E = Ef+E,2;以及E = LEJf2E2;其中將不同的材料分成兩個(gè)部分，其 各自的體積分?jǐn)?shù)為4和f 2, fdP f 2的和為1。
[0102] 如本文中所述，超硬材料主體和基底之間的界面可以基本是平面的或非平面的。 非平面界面設(shè)計(jì)的實(shí)例可參照?qǐng)D8-12C的描述和說(shuō)明。
[0103] 在本文描述的實(shí)施方案中，當(dāng)凸起或凹陷被描述為形成于基底表面上時(shí)，應(yīng)理解 為其反而形成在超硬材料層的與基底界面表面界面結(jié)合的表面上，而相反的特征形成在基 底上。另外，應(yīng)理解為界面表面的負(fù)面或反面形成在與基底界面結(jié)合的超硬材料層上，從而 使兩個(gè)界面形成貼合匹配。
[0104] 如圖8說(shuō)明的實(shí)施方案所示，切削元件400包括具有超硬材料層412的基底410， 超硬材料層412形成在基底410上。在基底410的一端是與超硬材料層412界面結(jié)合的界 面表面418,超硬材料層412在此界面表面上附著于基底410。基底410通常是圓柱形的， 并具有外周表面420和外周上邊緣422。在圖8所示的實(shí)施方案中，界面表面418包括多個(gè) 空間上分開的凸起424和在第一陣列424內(nèi)徑向設(shè)置的凸起426的第二或內(nèi)部基本為環(huán)形 的陣列，所述凸起424以基本為環(huán)形的第一陣列設(shè)置，并與外周邊緣422隔開。
[0105] 如圖8和9a-9d中所示，在該實(shí)施方案中，所述空間上分開的凸起424、426設(shè)置 在兩個(gè)陣列之中，所述兩個(gè)陣列設(shè)置在繞基底410的縱向中心軸的基本為環(huán)形的兩個(gè)通道 中。然而，本發(fā)明并不限于此幾何形狀，因?yàn)槔缤蛊?24、426可以以有序的非環(huán)形陣列布 置在界面表面418上，或所述凸起可以任意分布于其上，而不是以基本為圓形或其它有序 陣列分布。此外，在凸起以環(huán)形陣列設(shè)置的實(shí)施方案中，其可以是橢圓形或非對(duì)稱的，或可 以與基底410的縱向中心軸偏尚。同樣，雖然不出內(nèi)部陣列的凸起426與外部陣列424比 與基底的縱向中心軸更近，但在其它實(shí)施方案中，內(nèi)部陣列的凸起426可以與縱向中心軸 更近。
[0106] 第二陣列中的凸起426可位于與第一陣列中的凸起424之間的空間徑向?qū)R。凸 起424、426和空間交錯(cuò)排列，一個(gè)陣列中的凸起與下一個(gè)陣列中的空間重疊。界面表面上 三維特征的所述交錯(cuò)或未對(duì)齊的分布可幫助分布?jí)簯?yīng)力和張應(yīng)力，和/或降低應(yīng)力場(chǎng)的量 級(jí)，和/或通過(guò)防止裂紋增長(zhǎng)的不間斷通道來(lái)阻止裂紋增長(zhǎng)。
[0107] 如圖8和9a_9d所示，在這些實(shí)施方案中，使所有或大部分凸起424、426成形為使 所有或大部分凸起表面基本不與超硬材料412的切削表面414或基底的縱向軸延伸通過(guò)的 平面平行。同樣，在圖8-10和12a-12c示出的實(shí)施方案中，凸起之間空間中的界面表面418 是不平的。這可解釋為，但不限于，用峰和槽覆蓋這些不均勻的、變化的、不規(guī)則的、高低不 平的、不平坦的和/或不平滑的一個(gè)或多個(gè)空間。這種設(shè)置的作用被認(rèn)為是抑制沿界面表 面418的不間斷的裂紋擴(kuò)展并增加基底410界面和超硬材料層412界面之間的接觸表面 積。此外，認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)的作用是擾亂材料中的"彈性"波形成并使界面的裂紋轉(zhuǎn)向。在一 些實(shí)施方案中，使每個(gè)凸起424、426與相鄰?fù)蛊鸱蛛x的這些空間或不平的凹處可以是均勻 的，而在其它實(shí)施方案中可以是不均勻的。
[0108] 凸起424、426可以具有平滑彎曲的上表面或可以具有傾斜的上表面。在一些實(shí)施 方案中，凸起424、426的形狀可以是略不規(guī)則的四邊形或錐形，越接近其凸起的界面表面 處是最寬的。
[0109] 在圖8和9a-9d中，凸起424、426在各基本為環(huán)形的陣列中/周圍基本均等地隔 開，而給定陣列內(nèi)每個(gè)凸起424、426具有相同的尺寸。然而如上所述，凸起424、426可以形 成為任何所需形狀，并按均勻或不均勻的方式在空間上相互分開，以改變界面表面418上 的應(yīng)力場(chǎng)。如圖8和9的實(shí)施方案所示，外部陣列中的凸起424比內(nèi)部陣列中的凸起大。然 而，這些相對(duì)大小可以反過(guò)來(lái)，或兩個(gè)陣列中的凸起424、426可具有大約均勻的大小，或是 不同大小的混合。
[0110] 在圖8和9a_9d的實(shí)施方案中，外部陣列包括的凸起424的數(shù)量是內(nèi)部陣列的兩 倍，例如分別是10個(gè)和5個(gè)凸起。這允許切削元件400具有偽軸對(duì)稱，從而使得在不要求 特定方向使用的工具或鉆頭中能自由地布置切削件。凸起424、426布置并成形為使其抑制 一個(gè)或多個(gè)連續(xù)通道，沿所述連續(xù)通道，裂紋可穿過(guò)界面表面418擴(kuò)展。同樣，在一些實(shí)施 方案中，所有或大部分凸起和/或其之間的空間沒(méi)有基本垂直或平行于在使用中預(yù)期會(huì)施 加于切削元件400的任何載荷的任何表面，也沒(méi)有基本垂直或平行于其任何外部表面。
[0111] 凸起424、426的設(shè)置和形狀以及其之間的空間可影響切削元件400中的應(yīng)力分 布，且作用可為例如通過(guò)阻止或轉(zhuǎn)移穿過(guò)凸起424、426之中、周圍或之上的應(yīng)力區(qū)的裂紋 增長(zhǎng)而改善切削元件的耐裂紋增長(zhǎng)性，具體而言，改善對(duì)沿界面表面418的裂紋增長(zhǎng)的抗 性。
[0112] 如圖10的實(shí)施方案所示，基底410的縱向中心軸周圍區(qū)域中超硬材料的深度可以 是與超硬材料層412周圍的超硬材料的深度基本相同的深度。這可使在使用中暴露于工 作表面的超硬材料的體積和面積不會(huì)隨磨損進(jìn)展而顯著下降，從而改善切削元件400的壽 命。當(dāng)軸向方向負(fù)載時(shí)，其還有助于使切削元件400變硬。此外，其還有助于降低或基本消 除使用期間開槽磨損形成的可能性。
[0113] 圖11示出基底450和界面表面451的另一實(shí)施方案?；?50的界面表面451 包括多個(gè)相鄰排的凸起454,每個(gè)凸起形狀大體上是角錐狀的，并沿凸起454所凸起的表面 450與一個(gè)或多個(gè)相鄰的凸起沿其底部一側(cè)鄰接。在該實(shí)施方案中，所有或大部分凸起454 沒(méi)有基本平行于將附著于其的超硬材料切削面（未示出）或基底450的縱向軸延伸穿過(guò)的 平面的任何表面。凸起454可以是高度都相同，或者一些凸起比其它高度更高。
[0114] 在其它實(shí)施方案中（未示出），僅大部分界面表面418、451可由鄰接的凸起454覆 蓋，而不是圖11中所示的全部界面表面418、451由凸起454覆蓋，且任何凸起454之間或 未被凸起454覆蓋的任何界面表面418、451可以是不平的，如上面參照?qǐng)D8-10所述的。
[0115] 圖12a_12c中示出基底的另一實(shí)施方案。該實(shí)施方案與圖8-9d中示出的不同之 處在于，從界面表面418延伸的凸起424、426的形狀不同，且外部陣列中凸起424的數(shù)量比 圖8中示出的少。在圖12a-12c的實(shí)施方案中，這些凸起424、426有具有一個(gè)或多個(gè)非平 面表面的外周形狀。
[0116] 在一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施方案中，界面表面418、451的部件（features)可以是整體 形成，盡管所述基底是通過(guò)使用適當(dāng)形狀的模具在所述模具中放置形成基底的材料顆粒而 形成的?？商鎿Q地，界面表面418、451的凸起和不平表面可以是在例如通過(guò)常規(guī)機(jī)械加工 過(guò)程已生成基底之后或正進(jìn)行生成過(guò)程時(shí)而產(chǎn)生的?？梢詫⑾嗨频倪^(guò)程應(yīng)用于超硬材料層 12,以產(chǎn)生用于形成與基底匹配的相應(yīng)形狀的界面表面。
[0117] 可以通過(guò)例如常規(guī)釬焊工藝或通過(guò)使用常規(guī)高壓和高溫技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)來(lái)將超硬 材料層12附著于基底。
[0118] 如果在后續(xù)加工中從超硬材料層12部分地或完全地濾除催化劑材料，或進(jìn)行進(jìn) 一步的高壓高溫?zé)Y(jié)工序，則可進(jìn)一步提高具有上述界面特征和/或緩解其內(nèi)彈性應(yīng)力波 的包括基底和超硬材料層的切削產(chǎn)品的耐用性?？梢栽诔膊牧蠈?2附著于基底