沖擊損傷對PDC側(cè)壓強(qiáng)度的影響

陳楓，徐根，徐國平，馬春德

(1. 中南大學(xué) 現(xiàn)代分析測試中心，湖南 長沙，410083；2. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；3. 金瑞新材料科技股份有限公司，湖南 長沙，410012)

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline diamond compacts，簡稱 PDC)是由聚晶金剛石層(PCD)與WC-Co硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆探及機(jī)械加工領(lǐng)域[1?3]。PDC鉆頭在正常使用情況下，其使用壽命取決于金剛石層(PCD)的耐久性，PCD層的嚴(yán)重磨損會大大降低鉆頭的鉆進(jìn)效率[4?6]。若能將局部磨損的PDC進(jìn)行有效的二次利用，則可以降低鉆頭的鉆進(jìn)成本。國外很早就有將磨損的PDC進(jìn)行二次利用的例子[7]，目前國內(nèi)尚無此做法。其主要原因在于：在局部磨損的PDC內(nèi)不可避免地存在損傷、裂紋等不確定因素，無法判斷使用性能的穩(wěn)定性，若二次使用會有很大的風(fēng)險(xiǎn)，而對于這方面的研究也未見報(bào)道。因此，研究損傷對PDC使用性能的影響，對于PDC的二次利用從而有效降低鉆探成本意義重大。為了保證PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率，充分利用PCD材料高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，在其工作時(shí)必需始終保持PCD層刃緣與巖石相接觸。因此，PDC鉆頭在鉆探時(shí)其工作面與巖石切削面之間具有特定的角度，在鉆探過程中鉆頭所受荷載與用落錘等方法測試 PDC抗沖擊強(qiáng)度時(shí)所受的荷載有所不同，該荷載與鉆頭鉆壓、轉(zhuǎn)速、地形等因素相關(guān)[8]。本文定義在特定的工作角度下PCD層刃緣的抗壓強(qiáng)度為PDC的側(cè)壓強(qiáng)度。

本文作者利用 Instron1342型材料試驗(yàn)機(jī)及霍布金遜壓桿(SHPB)裝置[9]，進(jìn)行了同種PDC試樣在不同加載速率下的側(cè)壓實(shí)驗(yàn)和不同 PCD層厚度試樣的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)，并模擬磨損PDC二次利用時(shí)的受載荷方式(即認(rèn)為第1次破壞時(shí)，已對PDC造成內(nèi)在損傷)，采用沿直徑對邊第2次破壞性加載，測量PDC試樣損傷前后的側(cè)壓強(qiáng)度，并對各加載方式下PDC的破壞模式進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)試樣直徑×長度為19 mm×13 mm、復(fù)合片PCD層中含94%(體積分?jǐn)?shù))的金剛石，含6%(體積分?jǐn)?shù))的鈷(D6Co)，基體則采用高鈷含量的 WC-Co硬質(zhì)合金YG15。金剛石平均粒度為28 μm，金剛石層表面經(jīng)過研磨處理，試樣形貌如圖1所示，PDC各合成材料參數(shù)見表1。

為了模擬磨損PDC二次利用時(shí)的受載荷方式，研究PDC試樣損傷前后側(cè)壓強(qiáng)度的變化，采用沿直徑對邊加載的方式，即每個(gè)PDC試樣沿同一直徑兩端進(jìn)行2次破壞性加載，加載裝置見圖2。為更好地模擬PDC鉆具在實(shí)際工作時(shí)的受載條件，加載角α與 PDC鉆探時(shí)工作面與巖石之間夾角相同，取 20o。另外，由于PCD層硬度極大，為了保護(hù)加載裝置及減少加載裝置變形對測試結(jié)果的影響，使結(jié)果更具有可比性，PCD層與加載裝置之間放置了 PDC襯墊，即形成PCD-PCD的接觸方式。加載裝置示意圖如圖2所示。

圖1 PDC試樣示意圖Fig.1 Sketch map of PDC Specimen

表1 20 ℃時(shí)PDC材料參數(shù)Table 1 Material properties of PDC at 20 ℃

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading device

1.2 PDC側(cè)壓強(qiáng)度的準(zhǔn)動態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

利用 Instron1342型材料試驗(yàn)機(jī)，對同品種與規(guī)格、同PCD層厚度的試樣進(jìn)行不同加載速率下的側(cè)壓實(shí)驗(yàn)，得到每種加載速率下 PDC損傷前后的側(cè)壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)所使用PDC試樣，其PCD層厚度均為1.5 mm，其余尺寸見圖1。其中，Instron試驗(yàn)機(jī)采用位移控制方式加載，并采用5個(gè)不同等級的加載速率。采用低周疲勞的加載方式，即選用大幅值(超過試件強(qiáng)度)、小周期數(shù)(1個(gè)周期)來實(shí)現(xiàn)對PDC的準(zhǔn)動態(tài)加載，并采用正弦波加載[10]，采樣頻率為5 kHz。圖3所示為試樣的載荷?位移曲線(不考慮由加載裝置變形引起的誤差，這里只給出靜態(tài)2次加載的載荷?位移曲線)，通過該曲線計(jì)算得到試樣的側(cè)壓強(qiáng)度(用側(cè)壓能表示)以及單位時(shí)間內(nèi)試樣吸收的側(cè)壓能。

PDC側(cè)壓能及單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能與 PCD層厚度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：PDC試樣損傷后側(cè)壓強(qiáng)度與加載速率的變化規(guī)律與損傷前相同，即：加載速率越大，PDC損傷前后抗側(cè)壓強(qiáng)度也越大，加載速率與側(cè)壓強(qiáng)度之間呈非線性關(guān)系。應(yīng)變率數(shù)量級 10?6，10?5和 10?4均屬于靜態(tài)加載范圍，前后 2次側(cè)壓能均比較接近，進(jìn)入準(zhǔn)動態(tài)加載范圍后，PDC側(cè)壓能開始迅速增長，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到10?2量級時(shí)，PDC側(cè)壓強(qiáng)度為靜態(tài)(應(yīng)變率10?6量級)的7.29倍。從前、后2次加載的側(cè)壓差異來看，其變化規(guī)律也有相同的趨勢：靜態(tài)加載范圍相差較小，而在準(zhǔn)動態(tài)加載下，前、后2次加載PDC側(cè)壓強(qiáng)度有較大差異。PDC受載荷后內(nèi)部出現(xiàn)的損傷以及由此引起的應(yīng)力重分布是前、后2次加載側(cè)壓強(qiáng)度出現(xiàn)差異的主要原因。圖4說明：PDC內(nèi)部的損傷隨著加載速率的提高而增大。

圖3 應(yīng)變率為1.667×10?6時(shí)PDC試樣損傷前后載荷?位移曲線Fig.3 Variation curves of load with displacement while strain rate is 1.667×10?6

圖4 試樣側(cè)壓能與加載速率的關(guān)系Fig.4 Relationship between edgewise compressive energy and loading speed

圖5所示為靜態(tài)(應(yīng)變率10?6量級)和準(zhǔn)動態(tài)(應(yīng)變率10?2量級)加載條件下前、后2次加載得到的試樣破壞形貌。結(jié)合圖4(b)和圖5可以發(fā)現(xiàn)：在靜態(tài)條件下前、后2次加載，試樣單位時(shí)間內(nèi)吸收側(cè)壓能極少，且前、后2次變載變化亦不大，因而PCD層破壞范圍均較小，且均未達(dá)到界面以下，即破壞僅發(fā)生在PCD層。這說明：在靜態(tài)加載條件下，PDC試樣內(nèi)部的損傷僅發(fā)生在加載點(diǎn)附近的一個(gè)較小范圍內(nèi)。相對于靜態(tài)加載，在準(zhǔn)動態(tài)加載條件下，試樣單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能大4個(gè)量級，且前、后2次加載側(cè)壓能下降了21.2%，說明第1次側(cè)壓加載在試樣內(nèi)部引起的損傷較為嚴(yán)重，試樣PCD層出現(xiàn)了一定范圍的崩裂，但尚未引起脫層(見圖5(b))。顯然，加載速率越大，PDC試樣單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能越多，試樣破壞越嚴(yán)重。

加載速率與損傷面積之間的關(guān)系曲線如圖 6所示。從圖6可見：隨著加載速率的增大，試樣2次加載分別引起的損傷面積 均隨之增大，且第2次加載引起的損傷面積均比第1次的要大，前、后兩次加載引起損傷面積之間的差值亦隨著加載速率的增大而增大。結(jié)果表明：PDC內(nèi)部損傷不但與加載速率相關(guān)，而且損傷存在累積效應(yīng)，即第2次沖擊損傷是2次側(cè)壓所引起的損傷共同作用的效果。因而，經(jīng)歷第1次損傷后的PDC若再次利用，其抗側(cè)壓強(qiáng)度會下降，且加載速率越大，強(qiáng)度下降越明顯。

圖5 Instron 2次加載試樣的斷口形貌Fig.5 Failure models of PDC tested by Instron 1342 testing machine

圖6 加載速率與損傷面積的關(guān)系Fig.6 Relationship between damaged area and loading speed

1.3 PDC側(cè)壓強(qiáng)度的沖擊實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)利用SHPB沖擊加載裝置，對同規(guī)格、不同PCD層厚度的試樣進(jìn)行側(cè)壓加載實(shí)驗(yàn)。PCD層厚度h分別為0.5，1.0，1.5和2.0 mm。其中：SHPB裝置所采用彈性桿直徑為50 mm，長度為2 m，材料為40Cr合金鋼；采樣頻率為5 kHz，氣壓為0.8 MPa，無預(yù)壓應(yīng)力。應(yīng)變片型號為B×120?2AA型，測試系統(tǒng)為CS?1D型超動態(tài)應(yīng)變儀；SHPB裝置是動態(tài)沖擊加載的過程(應(yīng)變率達(dá)到102量級)。利用專用測試軟件對PCD層厚為1.0 mm、試樣2次加載得到的波形圖進(jìn)行分析，得到試樣的應(yīng)力?應(yīng)變曲線(見圖7)。PDC側(cè)壓能及單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能與 PCD層厚度關(guān)系曲線如圖8所示。

在沖擊加載條件下，PCD層厚度不同，PDC抗側(cè)壓強(qiáng)度亦不同。從圖8可以看出：PCD層越厚，PDC側(cè)壓強(qiáng)度越小，而前、后2次加載所測得側(cè)壓強(qiáng)度的差異則越大，也就是說，PCD層越厚，損傷對 PDC側(cè)壓強(qiáng)度的影響越明顯。PCD層厚度從0.5 mm增加到2 mm，PDC側(cè)壓強(qiáng)度下降37%，而前、后2次加載得到的側(cè)壓強(qiáng)度差卻提高了近8倍。

圖9所示為試樣前、后2次加載的斷口形貌。從圖9可以發(fā)現(xiàn)：PCD層厚度越大，單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能越少，而前、后2次加載單位時(shí)間內(nèi)平均側(cè)壓能的差值則越大；當(dāng)PCD層厚度h≤1.0 mm時(shí)，2次沖擊均未引起PCD的整體脫層，但2次沖擊引起的試樣破壞均較嚴(yán)重；當(dāng)h=0.5 mm時(shí)(圖9(a))，由于PCD層過薄，沖擊荷載使PCD層破壞之后，瞬間作用于基體，導(dǎo)致基體較大范圍崩裂，這是h=0.5 mm的試樣比h=1.0 mm的試樣破壞更為嚴(yán)重的主要原因；而當(dāng)h≥1.5 mm時(shí)，第2次沖擊加載直接引起PCD層崩裂和脫層，說明第1次沖擊加載在試樣內(nèi)部引起的損傷極為嚴(yán)重。顯然，PCD層厚度越大，損傷對PDC側(cè)壓強(qiáng)度的影響越明顯。

2 PDC 側(cè)壓強(qiáng)度與熱殘余應(yīng)力關(guān)系

一般認(rèn)為，PCD層熱殘余應(yīng)力是導(dǎo)致PDC非正常失效的主要原因[11?14]。而PCD層與硬質(zhì)合金基體的熱脹系數(shù)及彈性模量等物性差異是產(chǎn)生內(nèi)部熱殘余應(yīng)力的主導(dǎo)因素[15]。建立如圖 10所示計(jì)算模型，取應(yīng)力松弛溫度為1 000 ℃[16]，室溫為20 ℃，利用有限元方法，可以計(jì)算得到h=1.5 mm時(shí)，PCD層內(nèi)部的熱殘余應(yīng)力分布圖，結(jié)果如圖11所示。可見：徑向最大拉應(yīng)力分布于PCD層表面的外徑邊緣，為295 MPa；而軸向最大拉應(yīng)力分布于PCD層界面的外徑邊緣，達(dá)到了792 MPa。

圖7 SHPB加載得到的試樣應(yīng)力?應(yīng)變曲線(h=1.0 mm)Fig.7 Variation curves of stress with strain in dynamic load while h is 1.0 mm

圖8 試樣側(cè)壓能與PCD層厚度關(guān)系Fig.8 Relationship between edgewise compressive energy and thickness of PCD layer

圖9 SHPB二次加載后試樣破壞斷口形貌Fig.9 Failure models of PDC in dynamic load

圖10 有限元計(jì)算模型示意圖Fig.10 Geometry of PDC used in numerical simulation

圖11 PCD層應(yīng)力分布云圖Fig.11 Stress distribution in PCD layer

保持PDC總厚度13 mm不變，改變PCD層厚度h，PCD層徑向和軸向最大應(yīng)力與h的關(guān)系曲線見圖12。實(shí)踐證明，壓應(yīng)力的存在有利于PDC使用過程中抵抗外力，而拉應(yīng)力的存在對脆性材料則非常有害。顯然，隨著h的增加，徑向壓應(yīng)力逐漸減小，而軸向拉應(yīng)力則迅速增大。PDC受側(cè)壓引起的損傷及其側(cè)壓強(qiáng)度與熱殘余應(yīng)力相關(guān)。熱殘余應(yīng)力越大，PDC受沖擊側(cè)壓后引起的損傷越明顯，PDC側(cè)壓強(qiáng)度越小。

顯然，對同種PDC，加載速率越高，其側(cè)壓強(qiáng)度越高，前、后2次加載得到的側(cè)壓強(qiáng)度差異越大。另一方面，試樣PCD層厚度的提高，會使PDC側(cè)壓強(qiáng)度降低，沖擊加載引起的破壞越嚴(yán)重。載荷在PDC內(nèi)部引起損傷，使得PDC抗沖擊能力下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加載速率越高，PCD層越厚，由沖擊載荷引起的PDC內(nèi)部損傷就越嚴(yán)重。PCD層為PDC鉆頭的工作層，增加PCD層的厚度可以大幅度地提高PDC的耐磨性，但高熱殘余應(yīng)力和易損傷性使PDC的抗沖擊能力大大降低。顯然，平界面結(jié)構(gòu)的PDC不能單純依靠提高PCD層厚度來提高使用耐久性，也不適合于二次利用。這一結(jié)果對合理設(shè)計(jì)PDC刀具的幾何參數(shù)具有重要意義，同時(shí)為PDC的二次利用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖12 PCD層最大應(yīng)力與h關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between maximal stress of PCD layer and h

3 結(jié)論

(1) 對同種PDC，加載速率越大，其側(cè)壓強(qiáng)度越高，前、后2次加載得到的側(cè)壓強(qiáng)度差異越大。在靜態(tài)加載(10?6m/s)條件下，前、后2次加載得到的側(cè)壓強(qiáng)度變化值為0.017 N·m，而準(zhǔn)動態(tài)(10?2m/s)條件下側(cè)壓強(qiáng)度達(dá)到1.177 N·m，是靜載條件下的70倍。相對于靜態(tài)加載，在準(zhǔn)動態(tài)加載條件下，試樣單位時(shí)間內(nèi)吸收的側(cè)壓能大了4個(gè)量級，且前、后2次加載側(cè)壓能下降21.2%。另一方面，試樣PCD層厚度的提高，會使PDC側(cè)壓強(qiáng)度降低，沖擊加載引起的破壞也越嚴(yán)重。在沖擊加載條件下，PCD層厚度從0.5 mm增加到2 mm，PDC側(cè)壓強(qiáng)度下降37%，而前、后2次加載得到的側(cè)壓強(qiáng)度差卻提高近8倍。

(2) 載荷在PDC內(nèi)部引起損傷，使得PDC抗沖擊能力下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：加載速率越高，PCD層越厚，由沖擊載荷引起的PDC內(nèi)部損傷就越嚴(yán)重。當(dāng)PCD層厚度h≥1.5 mm時(shí)，第2次沖擊加載直接引起PCD層的崩裂和脫層。PCD層為PDC鉆頭的工作層，增加PCD層的厚度雖然可以大幅度地提高PDC的耐磨性，但高熱殘余應(yīng)力和易損傷性使PDC的抗沖擊能力大大降低。顯然，平界面結(jié)構(gòu)的PDC不能單純依靠提高PCD層厚度來提高使用耐久性，也不適合于二次利用。這一結(jié)果對合理設(shè)計(jì)PDC刀具的幾何參數(shù)具有重要意義，為PDC的二次利用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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