加载速率对PDC 侧压强度的影响规律研究1

1、加载速率对PDC 侧压强度的影响规律研究1    摘 要：聚晶金刚石复合片（Polycrystalline diamond compacts，简称PDC）是由聚晶金刚石层（PCD）与WC-Co 硬质合金基体烧结而成，PCD 层界面的结合力与耐久性直接影响到PDC 钻头的使用寿命。本文通过模拟实际钻探状态下PDC 的切削角（并将在切削角度下PCD层刃缘的抗压强度定义为PDC 的侧压强度）来研究不同加载速率对PDC 侧压强度的影响，这对更好的选择PDC 技术参数，提高PDC 钻头使用寿命意义极大。本文利用Instron1342型试验机以及霍布金逊压杆（SHP

2、B）装置，成功实现了从静态到准动态，再到动态的加载过程，得到了不同加载速率下PDC 的侧压强度值。实验结果表明，随着加载速率提高，PDC侧压强度提高， 但荷载引起的破坏亦越严重。PDC 侧压强度及其不同侧压下的破坏模式都呈现三个明显的阶段特征，即静态、准动态和动态（应变率分别为10-6、10-2、和102 量级），其中准动态侧压强度为静态强度的7.3 倍，而动态冲击下侧压强度为静态强度的52.4 倍。本文所用PD 抗侧压强度测试方法与其测试结果，为PDC 优化设计及PDC 钻头的转速、钻压等技术参数的合理选择提供了实验依据。关键词：聚晶金刚石复合片；侧压强度；加载速率；破坏模式1 引言聚晶金刚

3、石复合片（Polycrystalline diamond compacts，简称PDC）是由聚晶金刚石层（PCD）与WC-Co 硬质合金基体烧结而成，现在已经被广泛应用于钻探及机械加工领域1-4。1基金项目：博士点基金项目“油田钻探用金刚石复合片热残余应力致裂与止裂研究” （编号：20070533113）部分研究成果PCD 层作为工作层，其耐久性直接影响到PDC 钻头的使用寿命5-7。为了保证PDC 钻头的钻进效率，充分利用PCD 材料高硬度、高耐磨的特点，在其工作时必需始终保持PCD层刃缘与岩石相接触，因此PDC 钻头在钻探时其工作面与岩石切削面之间具有特定的角度，在钻探过程中钻头所受荷载与

4、用落锤等方法测试PDC 抗冲击强度时所受的荷载有所不同，该荷载与钻头钻压、转速、地形等因素相关。本文将在PDC 钻头实际钻探时的切削角度下PCD 层刃缘的抗压强度定义为PDC 的侧压强度。不同转速下，PDC 钻头所承受的侧压荷载不同，其动态受载条件十分复杂，钻头使用寿命与钻进时的转速息息相关8。因此，研究不同加载速率下PDC 侧压强度，不但对PDC 优化设计，而且对优化PDC 钻头的转速、进给等参数设置及提高PDC 钻头耐久性意义极大。本文利用Instron1342 型试验机以及霍布金逊压杆（SHPB）装置9，实现了对PDC 试样从静态到准动态，再到动态的加载过程，并对不同加载速率下PDC 的

5、破坏模式进行了研究，成功得到了不同加载速率下PDC 的侧压强度值及两者的相关性，这一研究结果对提高PDC 钻具的使用寿命具有十分重要的意义。2 实验2.1 实验原理与方法的金刚石，含6%体积的钴（简记为D6Co），基体则采用高钴含量的WC-Co 硬质合金（简记为YG15）。金刚石平均粒度为28m，金刚石层表面经过研磨处理，见图1 所示。PDC 各合成材料参数见表1。表1 PDC 材料参数(20)材料 密度(m-3)热传递系数W/(m)-1比热 J/()-1热胀系数(×10-6K-1)弹性模量(GPa)泊松比D6Co 3510 543 790 2.5 890 0.07WC-Co 150

6、00 100 230 5.2 579 0.22本实验利用Instron1342 型伺服控制材料试验机以及SHPB 加载装置，实现对试样从静态到准动态，再到动态的加载过程，并得到不同加载速率下PDC 的侧压强度（用侧压能表示）。利用Instron 试验机的位移控制方式加载，通过5 个不同等级的加载速率，实现低周疲劳的加载方式，即选用大幅值（超过试件强度）、小周期数（一个周期）来实现对PDC 的准动态加载，并采用了正弦波加载10-11，图2 为正弦波加载的荷载-时间曲线图。定义正弦波加载时某一时刻的平均加载速率为开始加载时的速率到此刻速率的平均值。设正弦波加载时的荷载时间曲线为：t A ( ft)

7、TP A pp2 sin 2 sin = ÷øöçè= æ （1）式中： P动态载荷值； A动态载荷幅值； t动态加载的时间；T 动态加载的周期；f 动态加载的频率。那么其速率为：K = P' = 2Apf cos(2pft) （2）由式(1)可得APft arcsin21p= （3）将其代入式(2)，得到速率的表达式为：÷øöçè= æAK 2Apf cos arcsin P （4）图2 正弦波加载荷载时间曲线示意图图1 PDC 试样尺寸示意图当PDC 的抗侧压强度

8、极限荷载为f P 时，则其到达极限荷载时的平均速率为：ò ò ÷øöçèæ = ÷øöçè= æ dpAPPdp A fAA f PpKfPff 1 2 cos arcsin 2 cos arcsin0pp （5）令x = arcsin(P A)，有P = Asin x 和dp = Acos xdx ，代入式(5)得：úûùêëé÷ ÷øöç &#

9、231;èæ= +APAPPK A f f ffsin 2arcsin4arcsin 122 2p 1因为极限荷载从理论上说是从0 连续增加到A ，所以可将上式改写成：úûùêëé÷øöçè= + æAPAPPK A f sin 2arcsin4arcsin 122 2p 1（6）式（6）就是PDC 到达极限荷载时的平均速率与极限荷载之间的对应关系。SHPB 装置所采用弹性杆直径为50mm，长度为2m，材料为40Cr 合金钢。采用气压为0.8MPa，无预压

10、应力。应变片型号为B×120-2AA 型，测试系统为CS-1D 型超动态应变仪，采样频率5KHz，实验所用加载装置见图3 所示。为更好的模拟PDC 钻具在实际工作时的受载条件，图3 中的加载角a 与PDC 钻探时工作面与岩石之间夹角相同，取20º。另外，由于PCD 层硬度极大，为了保护加载装置及减少加载装置变形对测试结果的影响，使结果更具有可比性，PCD 层与加载装置之间放置了PDC 衬垫，即形成PCD-PCD 的接触方式，见图3。2.2 测试结果及分析利用Instron 试验机实现了PDC 试样从静态（应力率为10-6 量级）到准动态（应变率为10-2 量级）之间的加载，

11、得到试样的载荷-位移曲线（见图4，不考虑由加载装置变形引起的误差），通过该曲线计算得到试样的侧压强度，用侧压能表示，结果见表2。图3 实验加载装置示意图表2 不同加载速率PDC 抗冲击强度实验设备 加载应变率（Hz) 侧压能(Nm) 单位时间侧压能（N·m·s-1）1.667×10-6 0.757 5.334×10-31.667×10-5 0.988 1.621×10-21.667×10-4 1.365 0.2441.667×10-3 3.931 8.534Istron13421.667×10-2 5.5

12、24 97.943SHPB 1.931×102 39.685 684.224SHPB 装置属于冲击加载的动态过程（应变率达到102 量级），图5 为试样的加载波形图，利用专用测试软件对该波形进行分析，得到试样的应力应变曲线（见图6），以及试样的侧压能，结果见表2。图4 Instron 加载载荷-位移曲线：(a) 应变率1.667×10-6；(b）应变率1.667×10-5；(c）应变率1.667×10-4；(d）应变率1.667×10-3；(e）应变率1.667×10-2；(a)01.534.567.590 0.05 0.1 0.15

13、 0.2 0.25位移（mm）载荷（KN）(b)0123456789100 0.1 0.2 0.3 0.4位移（mm）载荷（KN）(c)01.534.567.5910.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5位移（mm）载荷（KN）(d)024681012140 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7位移（mm）载荷（KN）(e)04812162024280 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75位移（mm）载荷（KN）相同的PDC 试样，在不同的加载速率下，侧压强度亦不同，其基本规律为：同种PDC，加载速率越大，其侧压强度也越大，加载速率与侧压强度之间呈非线性关系。

14、由表2 中数值可以看出，应变率数量级10-6、10-5、和10-4 均属于静态加载范围，三者的侧压能比较接近，进入准动态加载范围后，PDC 侧压能开始迅速增长，当应变率达到10-2 量级时，PDC 侧压强度为静态（应变率10-6 量级）的7.29 倍。而从准动态到动态，PDC 侧压强度增长又趋于缓慢。图7 为静态、准动态和动态（应变率分别为10-6、10-2、和102 量级）三种加载速率下        PDC 试样单位时间内吸收的平均侧压能示意图，图8 为以上三种加载状态下试样的破坏模式图。由图7、图8 可以看出

15、，静态加载条件下，试样单位时间内吸收的平均侧压能极少，PCD 层破坏范围也极小，仅载荷接触部分的轻微破碎，且仅发生在PCD 层，而PCD 层与基体界面依然保持完好，这种情况下PDC 依然可以正常工作。在准动态加载情况下，试样单位时间内吸收的侧压能比静态条件下大了四个量级，PCD 层破坏范围较大，且已经涉及到PCD 层与基体的结合面，在加载点处PCD 层已经完全脱离，PDC 无法在继续工作。而在动态冲击加载下，试样单位时间内吸收的侧压能是准动态条件下的7 倍，PCD 层与基体均有大范围的崩裂，PDC 破坏非常严重，说明平界面结构的PDC 刃缘无法承受这种量级的动态冲击加载。-400u-300u-

16、200u-100u0100u200u300u-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800StrainTimeIn+Re Tr图5 SHPB 冲击加载得到的试样波形图图6 SHPB 加载得到的试样应力-应变曲线0501001502002503003500 0.01 0.02 0.03 0.04应变应力（MPa）-6-图9 为试样单位时间平均侧压能与损伤面积之间的关系曲线，对该曲线进行拟合，可以得到平均侧压能与损伤面积的关系式（7）：1 exp(0.011 1.53)72.95 365.95+ += -ES （7）式中，S试样的损伤面积， E试样的平均侧压

17、能显而易见，平均侧压能越大，试样的损伤面积也越大，其变化趋势呈现两个主要阶段：当平均侧压能不大于100 N·m·s-1 时，随着平均侧压能的增大，试样损伤面积增长速度较快；当平均侧压能超过100 N·m·s-1 时，试样损伤面积增长速度趋于缓和。这一规律与加载速率、侧压能与损伤三者之间的关系相吻合。岩石的软硬程度，是PDC 钻头合理选择的基础，而技术参数的合理选择，是合理使用图8 不同加载速率试样破坏的断口形貌：（a）静态（1.667×10-6）；（b）准动态（1.667×10-2）；（c）动态（2.61×102）图7 不同

18、加载速率下单位时间内平均冲击能示意图684.224准动态动态5.334×10-3 97.943 N·m·s-1静态图9 平均侧压能与试样损伤面积关系曲线(a) (b) (c)-7-PDC 钻头的技术保证12-15。相同的技术条件下，转速对PDC 钻头的钻速影响较大，其规律是随转速增加而呈大幅度提高的趋势；在转速相同的技术条件下，钻压对金刚石钻头的钻速影响亦较大，其规律是随钻压增加，钻速也呈大幅度提高的趋势。但转速和钻压的增长范围均受地层软硬程度的限制。当PDC 钻头在钻进过程中，在钻压和转速相同的条件下，所钻岩层越硬，钻头回旋运动引起的PCD 层刃缘冲击荷载就越大

19、，就越容易发生PCD 层崩裂而导致钻头失效，这也是平界面PDC 钻头不适用于硬质岩层钻探的主要原因。需要指出的是，本文所测PDC 侧压强度值与落锤法8所测PDC 冲击强度值相差很大，两者不是同一概念，本文主要研究目的在于加载速率对PDC 侧压强度的影响规律。3 结论本文利用Instron1342 型试验机以及SHPB 装置，成功实现在对PDC 从静态准动态动态的加载过程，得到了不同加载速率下PDC 的侧压强度以及加载速率与侧压强度之间的相关关系。实验结果表明：1）PDC 的侧压强度随着加载速率的提高而提高，两者呈非线性关系。PDC 侧压强度随加载速度的变化出现三个最主要的阶段：即静态强度、准动

20、态强度以及动态强度（应变率分别为10-6、10-2、和102 量级），其中准动态侧压强度为静态侧压强度的7.3 倍，而动态侧压强度为静态侧压强度的52.4 倍。2）加载速率越快，单位时间内PDC 吸收的侧压能越多，PDC 受载荷破坏越严重，呈现三个主要阶段的特征：静态加载情况下破坏面极小，PDC 依然可以继续工作；准动态加载下PCD 层破坏面较大，且已伤及PCD 层与基体的结合界面，说明加载点处PCD 层已经完全脱离；而在动态冲击荷载下，PCD 层与基体同时崩裂，PDC 完全被破坏。当在较高转速和钻压的情况下在较坚硬地层钻进时，钻头回旋运动引起的冲击荷载容易使PCD 层崩裂，导致钻头失效。这也

21、是这种平界面PDC 钻头只适用于软至中硬地层的主用原因。3）单位时间内平均侧压能越大，试样的损伤面积也越大，其变化趋势呈现两个主要阶段：当平均侧压能不大于100 N·m·s-1 时，随着平均侧压能的增大，试样损伤面积增长速度较快；当平均侧压能超过100 N·m·s-1 时，试样损伤面积增长速度趋于缓和。这一规律与加载速率、侧压能与损伤三者之间的关系相吻合。岩石的软硬程度，是PDC 钻头合理选择的基础，而技术参数的合理选择，是合理使用PDC 钻头的技术保证。本文所用PDC 侧压强度的测试方法及测试结果，为PDC 钻头的优化设计及其使用中转速、钻压等技术参数

22、的合理选择提供了重要的实验依据。参考文献1 Muzaffer Zeren, Sadi Karagoz. Sintering of polycrystalline diamond cutting tools. Materials and Design.28(2007):1055-10582 Gittel H.-J. Cutting tool materials for high performance machineJ. Industrial diamond review. 1(2001):17-213 Clark, I.E., Bex, P.A. The use of PDC for petroleum and mining drilling. Industrial Diamond review. 59, PP.43-494 杨丽，陈康民. PDC 钻头的应用现状与发展前景. 石油机械，2007，35（12）：70-725 李国安，宋全胜. 聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的失效分析. 华中科技大学学报，2002，30（1）：62-646 GONG