CN102539258A

CN102539258A - 一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法

Info

Publication number: CN102539258A
Application number: CN2011104532051A
Authority: CN
Inventors: 汪冰峰; 李娟�; 刘昭林; 冯慧娟
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法。包括如下步骤：将钢球在一定高度自由落下，使钢球逐次冲砸在背面设有垫片的PDC试件正面边缘的固定点上；垫片与PDC试件整体固定在凹槽中，所述凹槽设置在钢球自由落体路径上，其外形与所述垫片以及PDC试件的外形相匹配；用激光感应计数器计量钢球冲砸PDC的次数，当复合片表面出现可见裂纹或产生破碎时，得到冲击功值。本发明方法实现了钢球和样品的点对点接触，能很好的模拟PDC材料的实际受力状态；可以方便地控制落球的频率，从而控制冲击频率，使冲击频率保持在最佳的情况下；采用了简单的激光感应计数器进行冲击次数计量；本发明方法简单，成本低廉，使用方便，易于推广。

Description

一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法

技术领域

本发明公开一种高效的用于检测金刚石复合片(PDC)抗冲击韧性的方法；属于材料物理性能检测技术领域。

背景技术

金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，简称为PDC)是由硬质合金和人造聚晶金刚石经过高温高压合成的，既具有硬质合金的韧性和可焊性，又具有金刚石的高耐磨性，作为高效切削刀具广泛地应用于石油钻探、机械加工等领域。由于复合片自身结构的特点，以及在实际使用过程中的受破坏方式，使得复合片一般都是受冲击破坏而失效，因此抗冲击性能是衡量复合片质量优劣的一项重要指标。然而，由于聚晶金刚石具有极高的硬度和化学惰性，如何高效的检测PDC材料的抗冲击韧性已成为迫切需要解决的难题之一。

目前，对于如何检测PDC材料抗冲击韧性，国内外的著名公司和研究机构都依据实用对象，设计了各自独特的测试方法，测试结果并不能够相互比较，因而，没有形成统一的标准，其主要的测试方法(原理)有：美国GE公司所采用的高速运动颗粒冲蚀法；英国De Beers公司所采用的PDC车削带槽花岗岩棒转撞击法；美国Sandia国家实验室采用的大功率落块冲击法；我国和美国合成公司所采用的DFZY型PDC抗动载性能测试、JZ型落锤式冲击功测定仪测试和可变换冲击功落球式冲击法。以冲击功作为抗冲击性能的定量指标，得到了较为广泛的认同。即，测试时，使冲头逐次冲砸PDC的边缘部分，直至试样表面出现可见裂纹或产生破碎时，所得到的冲击功(冲击次数与单次冲击能量之积)。

该种测试过程存在以下难点：1)加载功如何能够尽可能地作用到复合片上。如果复合片被直接放置于底座上，将导致大部分的冲击能量损失。2)如何实现冲头与复合片的点对点的冲击。金刚石复合片的硬度很大，如果冲击次数过多，会导致冲头与复合片形成面对面的接触，甚至冲头破坏。3)复合片表面裂纹出现的判断和冲击次数的计数困难。因为一般的测试方法测试次数很多，采用人工记录冲击次数，重复性的工作量太大，繁琐易产生误差，且难于第一时间观察到裂纹出现。随着PDC制造技术的不断进步，PDC的质量得到了大幅度的提高，如果测试一个试样甚至经过数千次仍然不能破坏样品，将导致无法给出冲击功的具体数。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中冲击功测试过程的难点，而提供一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法。

本发明高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，包括以下步骤：

将钢球在一定高度自由落下，使钢球逐次冲砸在背面设有垫片的PDC试件正面边缘的固定点上；所述垫片与PDC试件整体固定在凹槽中，所述凹槽设置在钢球自由落体路径上，其外形与所述垫片以及PDC试件的外形相匹配；用激光感应计数器计量钢球冲砸PDC的次数，当复合片表面出现可见裂纹或产生破碎时，得到冲击功值。

本发明高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法中，所述垫片厚1mm-20mm。

本发明高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法中，所述垫片采用硬质合金、PDC或聚晶立方氮化硼中的任意一种材料制备。

本发明高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法中，所述垫片与PDC试件之间叠置，垫片表面粗糙度为Ra0.02-1.25μm。

本发明高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法中，所述垫片与PDC试件采用压片压置在凹槽中而实现整体固定在凹槽中。

本发明由于采用上述方法，在现有的落球式冲击法的基础上，引入冲击动力学原理，通过在PDC试件下面装上垫片(如硬质合金、PDC、聚晶立方氮化硼复合片)，并使垫片表面粗糙度达到Ra0.02-1.25μm，将二者叠置(机械式固定)在一起进行冲击测试，在测试在测试样品和试验机底座间形成一个刚性碰撞界面，使得反射进入PDC试件内的拉伸波增多，从而使PDC试件在有限的次数内，发生冲击破坏，实现了PDC样品抗冲击韧性的高效测定；可以使复合片经过数十次的冲击后，表面出现可见裂纹或产生破碎，快速地有效地测定PDC材料的冲击功值，使得可变换冲击功落球式冲击法的重复性工作量大大降低，误差减小，更加简便。

该发明方法的优点和有益效果是：该发明方法能高效的实现PDC抗冲击性能的检测，PDC试件的抗冲击韧性只需要十几次到几十次的钢球冲击便可测试出来，减少了重复性的工作量，得到的实验结果更具可信度；本发明将垫片与PDC试件采用压片压置在凹槽中，能够有效的控制PDC试件与钢球的冲击点位置，冲击点位置对测试结果的影响极大，若位置变化，所获得的结果会存在较大的误差；该发明方法实现了钢球和样品的点对点接触，能很好的模拟PDC材料的实际受力状态；当冲击频率太高时，载荷作用时间较短，破坏的过程得不到充分的发展，会使破坏速度下降，本发明方法可以方便地控制落球的频率，从而控制冲击频率，能使冲击频率保持在最佳的情况下；该发明方法采用了较为简单的激光感应计数器进行冲击次数计量；该发明方法简单，成本低廉使用方便，易于推广。

附图说明

附图1为本发明实施例应用的冲击试验机结构示意图。

附图2为附图1中A部放大图。

图中：1-钢球收集槽；2-底板；3-激光感应计算器；4-夹紧板；5-支座，7-凹槽。

具体实施方式

下面结合具体附图及实施例对本发明作进一步说明。

参见附图1、2，将钢球收集槽1、设有激光感应器3的底板2、支座5依次安装好，并使支座5上的钢球7自由落体时，恰好落入设置于底板2上的凹槽7中，固定好各部件，然后，进行试验。

测试同一批次PDC试件。将多个钢球6放入支座5上；将垫片与PDC试件对齐，然后利用夹紧板4将垫片和PDC试件机械式装夹在凹槽7中；使钢球6依次自由落体，冲砸PDC试件至其表面出现可见裂纹，利用激光感应计数器3计量钢球冲砸PDC的次数。根据落球高度，确定单次冲击功，即钢球落下的重力势能。还可根据实验的需要调整支架5的高度，获得钢球落下的不同重力势能。通过记录钢球的下落次数，得到冲击功值。其公式如(1)所示：

W＝mgh (1)

其中，m为钢球重量，g为重力加速度，h为落球高度。g＝9.8m/s²。.

实施例1：

采用表面粗糙度为Ra0.02μm的硬质合垫片，厚度为1.00mm，钢球直径：300mm；质量：878.2g；所用材料：轴承钢；落球高h＝164mm；对于同一复合片圆周上选择间隔90°的4个点，冲击次数分别为32，33，34，35次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为33.50。

计算得单次冲击功：W＝mgh＝1.411J。

此PDC试件的冲击功值为33.50×1.411＝47.27J。

实施例2：

采用表面粗糙度为Ra0.5μm的PDC垫片，厚度为15.12mm，钢球直径：300mm；质量：890.1g；所用材料：轴承钢；落球高h＝168mm；对于同一复合片圆周上选择间隔90°的4个点，冲击次数分别为34，36，33，34次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为34.25。

计算得单次冲击功：W＝mgh＝1.465J。

此PDC试件的冲击功值为34.25×1.465＝50.18J。

实施例3：

采用表面粗糙度为Ra1.25μm的聚晶立方氮化硼垫片，厚度为20mm，钢球直径：300mm；质量：875.4g；所用材料：轴承钢；落球高h＝170mm；对于同一复合片圆周上选择间隔90°的4个点，冲击次数分别为32，34，33，34次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为33.25。

计算得单次冲击功：W＝mgh＝1.458J。

此PDC试件的冲击功值为33.25×1.458＝48.48J。

从实施例1、2、3可知，经过数十次的冲击，即可很快的测定PDC试件的冲击功值，数值的均方差为4.27，满足复合片测试的需要。

Claims

1.一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，其特征在于：所述垫片厚1mm-20mm。

3.根据权利要求2所述的一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，其特征在于：所述垫片采用硬质合金、PDC或聚晶立方氮化硼中的任意一种材料制备。

4.根据权利要求3所述的一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，其特征在于：所述垫片与PDC试件之间叠置，垫片表面粗糙度为Ra0.02-1.25μm。

5.根据权利要求4所述的一种高效的用于检测金刚石复合片抗冲击韧性的方法，其特征在于：所述垫片与PDC试件采用压片压置在凹槽中而实现整体固定在凹槽中。