CN105008912A - 用于pdc、pcbn或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试 - Google Patents

用于pdc、pcbn或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试 Download PDF

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Abstract

一种声发射测试设备包括具有第一表面的测试切割器、声传感器、耦合到第一表面的压头和负荷。负荷施加到压头上，并且所述压头将负荷传递到第一表面。声传感器可通信地耦合到测试切割器并且检测在其中发生的一个或多个声事件。声发射测试系统包括耦合到测试设备的数据记录仪。数据记录仪记录来自测试设备的数据。基于接收到的数据，测试切割器的韧性客观地被确定并且可以相比于其它测试切割器的韧性进行排名。负荷斜升到峰值负荷，保持一段时间，并且然后斜降。来自与测试切割器相同的切割器类型的切割器具有相似的韧性。

Description

用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试
相关申请
本申请是2010年4月6日提交并且名称为“用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emission ToughnessTesting For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts)”的美国专利申请No.12/754,738的部分继续申请，上述申请通过引用合并于本文中。
本申请涉及2010年4月6日提交并且名称为“用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emission ToughnessTesting For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts)”、现在公布为美国专利No.8,322,217的美国专利申请No.12/754,784，2010年4月28日提交并且名称为“用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts)”的美国专利申请No.12/769,221，2010年12月9日提交并且名称为“用于PDC、PCBN或其它硬或超硬材料插入件的声发射韧性测试(Acoustic Emission ToughnessTesting For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts)”的美国专利申请No.12/963,913，2011年7月29日提交并且名称为“井下声发射地层采样(Downhole Acoustic Emission Formation Sampling)”的美国专利申请No.13/194,205，以及2011年6月2日提交并且名称为“具有更小噪声比的声发射韧性测试(Acoustic Emission Toughness Testing HavingSmaller Noise Ratio)”的美国专利申请No.13/152,126，上述申请全部通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体而言涉及用于测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件，并且更特别地涉及用于使用声发射来测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件。
背景技术
图1显示根据本发明的示例性实施例的、可插入到诸如钻头或铰刀之类的井下工具(未示出)内的超硬材料100。如图1中所示，超硬材料100的一个例子是用于岩石钻头的切割元件100、或者切割器或插入件。然而，超硬材料100可以基于它将用于的应用而被成形为其它结构。切割元件100典型地包括具有接触面115的衬底110、以及切割台120。切割台120是使用超硬层制作而成的，根据一个例子，所述超硬层通过烧结工艺结合到接触面115。根据一些例子，衬底110通常是由碳化钨钴或碳化钨制成的，而切割台120是用诸如多晶金刚石(“PCD”)或多晶立方碳化硼(“PCBN”)之类的多晶超硬材料层形成的。这些切割元件100是根据本领域普通技术人员公知的工艺和材料制作而成的。尽管切割台120被显示为具有大致平面的外表面，但是切割台120在其它实施例中可以具有可替代形状的外表面，比如拱顶形、凹形或其它非平面形状的外表面。尽管已经提供了切割元件100的一些示例性配方，但是可以根据应用使用本领域普通技术人员公知的其它配方和结构。尽管岩石钻探是超硬材料100可在其中使用的一个应用(并且其在下面进行描述)，但是超硬材料100可以用在各种其它应用中，包括、但不限于机械加工、木材加工以及采石。
不同的PCD、PCBN、硬和超硬材料等级可供切割器100用在各种应用中，比如使用不同钻头设计来钻探不同岩层、或者对不同金属或材料进行机械加工。与这些切割器100相关联的常见问题包括：切割台120在使用期间的掉屑(chipping)、剥离(spalling)、部分断裂、开裂和/或剥落。这些问题导致切割台120和/或衬底110的早期故障。典型地，在切割台120上在切割台120于钻探期间与土层接触的区域处生成的高量级应力会导致这些问题。这些问题由于与维修、生产停工时间和劳动力成本相关联的成本而增加了钻探的成本。因此，诸如钻头设计者或现场应用工程师之类的最终用户针对任何给定钻探或机械加工任务来选择切割器100的表现最佳的等级以减少这些常见问题的发生。例如，最终用户通过权衡使用常规方法所确定的切割器100的耐磨性和抗冲击性来选择合适的切割器100。典型地，可供最终用户用于针对特定应用选择合适等级的切割器100可使用的信息是从下列导出的：历史数据记录，所述历史数据记录显示PCD、PCBN、硬或超硬材料的不同等级在特定区域中的性能；和/或实验室功能测试，所述实验室功能测试尝试在测试不同切割器100时模拟各种钻探或机械加工条件。当前存在用在钻探业中的实验室功能测试的两个主要类别。这些测试是磨损测试和冲击测试。
包括多晶金刚石复合片(“PDC”)切割器100的超硬材料100已经通过使用两种常规测试方法进行了耐磨损性的测试。PDC切割器100包括由PCD制成的切割台120。图2显示用于使用常规花岗岩测井测试来测试耐磨损性的车床200。尽管提供了车床200的一个示例性装置配置，但是可以使用本领域普通技术人员公知的其它装置配置而不脱离示例性实施例的范围和精神。
参考图2，车床200包括卡盘210、尾架220、以及定位在卡盘210与尾架220之间的刀架230。目标圆柱250具有第一端部252、第二端部254、以及从第一端部252延伸到第二端部254的侧壁258。根据常规的花岗岩测井测试，侧壁258是暴露表面259，该表面在测试期间与超硬部件100接触。第一端部252联接到卡盘210，而第二端部254联接到尾架220。卡盘210被配置为旋转，由此导致目标圆柱250也沿着目标圆柱250的中心轴线256旋转。尾架220被配置为在目标圆柱250旋转时将第二端部254保持就位。目标圆柱250是由单种均匀材料制作而成，该材料典型地为花岗岩。然而，已经将其它岩石类型用于目标圆柱250，这些岩石类型包括、但不限于：Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉红花岗岩、以及Georgia灰色花岗岩。
PDC切割器100被装配到车床的刀架230，使得PDC切割器100与目标圆柱250的暴露表面259接触并且横越暴露表面259被往复牵引。刀架230在目标圆柱250上具有向内给进速率。PDC切割器100的耐磨损性被确定为这样的磨损率，所述磨损率被定义成被去除的目标圆柱250的体积比被去除的PDC切割器100的体积。替代地，代替测量体积，可以测量PDC切割器100横越目标圆柱250行进的距离并将该距离用于量化PDC切割器100的耐磨损性。替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其它方法来使用花岗岩测井测试确定耐磨损性。车床200的操作和构造是本领域普通技术人员公知的。对该类型的测试的描述可以在下列文献中找到：Eaton，B.A.，Bower，Jr.，A.B和Martis，J.A，“Manufactured DiamondCutters Used In Drilling Bits”，Journal of Petroleum Technology，1975年5月，543-551，Society of Petroleum Engineers paper 5074-PA，其在1975年5月的Journal of Petroleum Technology上发表；以及Maurer，William C.，“Advanced Drilling Techniques”，第22章，The Petroleum PublishingCompany，1980年，第541-591页，上述文献通过引用合并于本文中。
图3显示用于使用立式镗床(“VBM”)测试或者立式转塔车床(“VTL”)测试来测试耐磨损性的立式镗床300。尽管提供了VBM 300的一个示例性装置配置，但是可以使用其它装置配置而不脱离示例性实施例的范围和精神。立式镗床300包括旋转台310和定位在旋转台310之上的工具保持件320。目标圆柱350具有第一端部352、第二端部354、以及从第一端部352延伸到第二端部354的侧壁358。根据常规的VBM测试，第二端部354是暴露表面359，该表面在测试期间与超硬材料100接触。目标圆柱350在直径上典型地为大约30英寸至大约60英寸；然而，该直径可以更大或更小。
第一端部352安装在VBM 300的下部旋转台310上，由此让暴露表面359面向工具保持件320。PDC切割器100安装在工具保持件320中在目标圆柱的暴露表面359之上，并且与暴露表面359接触。目标圆柱350旋转，同时工具保持件320使PDC切割器100从目标圆柱的暴露表面359的中心轮转到其边缘并且再次轮转回目标圆柱的暴露表面359的中心。工具保持件320具有预定的向下给进速率。VBM方法允许对PDC切割器100施加较高的负荷并且较大的目标圆柱350提供PDC切割器100所作用于的较大岩石体积。目标圆柱350典型地是由花岗岩制作而成的；然而，目标圆柱可以由其它材料制作而成，这些材料包括、但不限于：Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉红花岗岩、以及Georgia灰色花岗岩。
PDC切割器100的耐磨损性被确定为这样的磨损率，所述磨损率被定义为被去除的目标圆柱350的体积比被去除的PDC切割器100的体积。替代地，代替测量体积，可以测量PDC切割器100横越目标圆柱350行进的距离并将该距离用于量化PDC切割器100的耐磨损性。替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其它方法来使用VBM测试确定耐磨性。VBM300的操作和构造是本领域普通技术人员公知的。对该类型的测试的描述可以在下列文献中找到：Bertagnolli，Ken和Vale，Roger，“Understandingand Controlling Residual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters forEnhanced Durability”，US Synthetic Corporation，2000年，上述文献通过引用完整地合并于本文中。
除了用于耐磨损性的测试以外，也可以测试PDC切割器100的抗冲击负荷性。图4显示落塔装置400，其用于使用“落锤”测试来测试超硬部件的抗冲击性，其中金属砝码450悬挂在上方并且下落到切割器100上。“落锤”测试尝试模拟当PDC切割器100从一个地层过渡到另一地层或经历侧向和轴向振动时会遇到的负荷类型。来自冲击测试的结果允许基于不同切割器的冲击强度来对所述切割器排名；然而，这些排名不允许根据切割器100将在实际现场中如何表现来进行预测。
参考图4，落塔装置400包括诸如PDC切割器之类的超硬材料100、目标固定装置420、以及定位在超硬材料100之上的撞击板450。PDC切割器100被锁定到目标固定装置420中。撞击板450或砝码典型地是由铁制作而成，并且定位在PDC切割器100之上。然而，撞击板450可以由本领域普通技术人员公知的替代材料制作而成。PDC切割器100典型地以后倾角415保持，PDC切割器100的金刚石台120朝着撞击板450向上成角。后倾角415的范围是本领域普通技术人员公知的。
撞击板450重复地下落到PDC切割器100的边缘上，直到PDC切割器100的边缘脱开或者剥离。这些测试也称为“侧向冲击”测试，原因是撞击板450冲击金刚石台120的暴露边缘。故障典型地出现在金刚石台120中或金刚石台120与碳化物衬底110之间的接触面115处。“落锤”测试对金刚石台120的边缘几何形状很敏感。如果台120被稍微斜切，则测试结果可能明显改变。以焦耳表达的、产生金刚石台120中的最初断裂所耗费的总能量被记录。对于更高抗冲击性切割器100而言，撞击板450可以根据预设计划从增加高度下落以对切割器100施加更大的冲击能量从而实现故障。然而，该“落锤”测试的缺点在于，该方法需要测试许多切割器100来实现可以将一种切割器类型和另一切割器类型的相对抗冲击性相比较的有效统计采样。该测试不足以提供反映整个切割器100在其遇见井下环境中的冲击负荷时的真实抗冲击性的结果。测试展示静态冲击效果，而真实冲击是动态的。每秒冲击次数可以高达100赫兹(“Hz”)。而且，切割器的损伤量由眼睛经训练过的某人主观地评价并且与其它切割器遭受的损伤相比较。
尽管市场上可用的不同耐磨性测试的结果与实际现场性能具有总体上合理的一致程度，但是对于常规冲击测试的结果情况并不是这样。尽管在常规冲击测试与实际现场性能之间存在一定程度的相关性，但是数据的分散常常是很大的，由此导致对切割器的实际现场性能将表现如何的预测是困难的和/或不精确的。而且，发生在切割器内的许多断裂未使用这些常规测试检测到，并且因此在评价切割器的韧性时为未被觉察。
另外，由于钻头选择是关键过程，因此知道钻头将钻通的不同岩石的机械性质是重要的。目前用于钻头选择的最重要参数之一是岩石的无侧限抗压强度(“UCS”)，其可以在岩芯样本上直接地测量或从测井数据间接地评价。然而，当选择钻头时不应当唯一地依赖于岩石的UCS，原因是UCS会误导，尤其当岩石UCS大于15000psi并且易碎、由此具有低断裂韧性K1C时。因此，当选择适当的钻头时也应当考虑岩石的断裂韧性。
附图说明
当结合附图阅读时参考某些示例性实施例的以下描述，本发明的前述及其它特征和方面将最好地被理解，其中：
图1显示根据本发明的示例性实施例的可插入井下工具内的超硬材料；
图2显示用于使用常规花岗岩测井测试来测试耐磨损性的车床；
图3显示用于使用立式镗床测试或立式转塔车床测试来测试耐磨损性的立式镗床；
图4显示用于使用“落锤”测试来测试超硬部件的抗冲击性的落塔装置；
图5显示根据本发明的示例性实施例的声发射测试系统的透视图；
图6显示根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备的横截面图；
图7显示根据本发明的示例性实施例的如图5中所示的切割器保持件的透视图；
图8显示根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备的透视图，其中压头被从切割器保持件去除；
图9显示根据本发明的替代示例性实施例的声发射测试系统的透视图；
图10显示根据示例性实施例的图5的数据记录仪的示意性框图；
图11显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约2千牛顿的负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示；
图12显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约5千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示；
图13显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约30千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示；
图14显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约40千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示；
图15A显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约45千牛顿负荷的切割器制造商#1切割器样本#1切割器类型的切割器声发射和负荷图形表示；
图15B显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约30千牛顿负荷的切割器制造商#2切割器样本#2切割器类型的切割器声发射和负荷图形表示；
图16示出根据本发明的示例性实施例的用于分析从声传感器接收的数据点的方法的流程图，其中该方法包括单循环方法和双循环方法；
图17示出根据本发明的示例性实施例的图16的单循环方法的详细流程图；
图18示出根据本发明的示例性实施例的图16的双循环方法的详细流程图；
图19显示根据本发明的示例性实施例的针对受到负荷的切割器的切割器声发射图形表示；
图20显示根据本发明的示例性实施例的针对受到负荷的切割器的切割器声发射图形表示的一部分的放大图；
图21显示根据本发明的示例性实施例的针对每个实际声事件的累积分布表示；
图22显示根据示例性实施例的图10的处理器的框图；
图23显示根据示例性实施例的代替图1的切割器的、在图5和9的相应声发射测试系统内可测试的岩石样本；以及
图24显示根据示例性实施例的插入可加压室内的图5的声发射测试设备。
附图仅仅示出本发明的示例性实施例并因此不认为限制其范围，原因是本发明可以允许有其它等效的实施例。
具体实施方式
本发明涉及用于使用声发射来测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件。本发明也涉及使用硬或超硬材料或部件的装置和/或工具，例如诸如钻头或铰刀之类的井下工具，所述硬或超硬材料或部件具有从经历使用声发射的测试的相关硬或超硬材料确定的其固有强度或韧性。尽管对示例性实施例的描述在下面是结合PDC切割器来提供的，但是本发明的替代实施例可以适用于其它类型的硬或超硬材料，包括、但不限于：PCBN切割器、岩石样本或本领域普通技术人员公知或未知的其它硬或超硬材料。例如，硬或超硬材料包括烧结碳化钨、碳化硅、碳化钨基质试样件、陶瓷、或化学气相沉积(“CVD”)涂层插入件。硬或超硬材料也包括岩石样本，其包括、但不限于从钻孔获得的硬岩石样本和/或烧结岩石样本。
通过参考附图阅读对非限制性、示例性实施例的以下描述来更好地理解本发明，其中每个附图的相似部分由相似的附图标记来标识，并且如下简要地对其进行描述。图5显示根据本发明的示例性实施例的声发射测试系统500的透视图。图6显示根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备505的横截面图。参考图5和6，声发射测试系统500包括可通信地耦合到数据记录仪590的声发射测试设备505。声发射测试设备505包括切割器保持件510、切割器100、压头550以及声传感器570。然而在某些实施例中，切割器保持件510是可选的。尽管在示例性实施例中描绘切割器100，但是在替代示例性实施例中岩石样本2300(图23)代替切割器100。
图7显示根据本发明的示例性实施例的切割器保持件510的透视图。参考图5、6和7，切割器保持件510包括第一表面712、第二表面714和侧表面716。第一表面712布置在与第二表面714所布置的平面大致平行的平面中。侧表面716从第一表面712延伸到第二表面714。根据一些示例性实施例，侧表面716大致垂直于第一表面712和第二表面714中的至少一个。根据替代示例性实施例，侧表面716不与第一表面712或第二表面714大致垂直。切割器保持件510是由钢制作而成的；然而，根据其它示例性实施例，切割器保持件510由任何金属、木材或本领域普通技术人员公知的能够承受将被施加的负荷580的其它合适材料制作而成，这些材料在下面进行更详细描述。负荷580可以在大约0千牛顿到大约70千牛顿的范围内。在某些示例性实施例中，该合适材料能够被机械加工或模制，并且能够传播声音。在某些示例性实施例中，该合适材料能够以大约每秒1/千米或更高的速度传播声音。
切割器保持件510被成形为大致圆柱形，其中第一表面712为大致圆形，第二表面为大致圆形，并且侧表面716为大致弧形。然而，侧表面716包括联接部分730，该联接部分为大致平面的或平坦表面的，并且从第一表面712延伸到第二表面714。联接部分730提供用于将声传感器570联接到切割器保持件510的表面。在某些示例性实施例中，联接部分730不在从第一表面712到第二表面714的整个长度上延伸。在一些示例性实施例中，声传感器570尺寸确定为使得声传感器570能够被联接到弧形的侧表面716。因此，联接部分730在那些示例性实施例中是可选的。尽管提供了切割器保持件510的一种示例性形状，但是切割器保持件510可以被成形为诸如方形圆柱或三角形圆柱之类的其它几何或非几何形状，而不脱离示例性实施例的范围和精神。
空腔720形成在切割器保持件510内，并且大小被确定为接收切割器100，或诸如岩石样本2300(图23)之类的某种其它硬或超硬材料，其在下面进一步进行描述。空腔720尺寸确定成在直径上稍大于切割器100的直径，由此允许切割器100容易和自由地装配在空腔720内。空腔720从第一表面712朝着第二表面714延伸，但是未到达第二表面714。在其它示例性实施例中，空腔720从第一表面712延伸到第二表面714，并且前进穿过切割器保持件510，由此形成切割器保持件510内的孔。空腔720在形状上为圆形，但是在其它示例性实施例中为任何其它几何或非几何形状。空腔720是通过如下方式形成的：机械加工切割器保持件510、或者将切割器保持件510模制为让空腔720形成在其中。替代地，空腔720是使用本领域普通技术人员公知的其它方法形成的。在某些示例性实施例中，空腔720以一种方式形成以保证每当切割器100被插入到空腔720内时切割器100以相同方式适当地对准。
切割器100之前已经参照图1进行了描述并且适用于所述示例性实施例。简言之，切割器100包括衬底110和切割器台120，该切割器台被形成或联接到衬底110的顶部。在示例性实施例中，切割器台120是由PCD形成的，但是替代的示例性实施例已经让切割器台120由诸如PCBN之类的其它材料制作而成，而不脱离示例性实施例的范围和精神。尽管切割器100具有平面的切割器台120或者为平坦表面的，但是切割器台120可以为拱顶形、凹形或本领域普通技术人员公知的任何其它形状。
切割器100包括精整的和/或经磨削的切割器以及“原始(raw)”切割器。“原始”切割器是未精整的，并且是通常是刚离开加工单元可用的切割器。本发明的实施例允许测试这两种切割器类型。由于切割器制造商能够根据本发明的实施例来测试“原始”切割器，因此切割器制造商能够在切割器生产运行中早期地确保它们满足规范。如果切割器制造商确定“原始”切割器100不满足合适的规范，则他们能够对其工作参数进行必要的改变以在继续切割器生产运行以前得到“良好”的切割器。另外，“原始”切割器能够以较低的千牛顿水平或负荷下接受测试以确保“原始”切割器不会在给定负荷下开裂。如果开裂发生在“原始”切割器的测试期间，则切割器制造商可以省去与精整和磨削这些“原始”切割器相关联的额外花费，由此节省不必要的成本开销。因此，每个“原始”切割器都能够通过声发射测试系统500使用较低负荷水平进行测试，以确保切割器100是“良好”的切割器。
参考图6，切割器100被插入到切割器保持件510的空腔720内。切割器100在空腔720内被定向为使得切割器台120朝向第一表面712或者背离第二表面714。根据该示例性实施例，整个切割器100被插入到空腔720内。然而，在替代的示例性实施例中，切割器100的包括整个衬底110在内的一部分被完全插入到空腔720内。因此，在这些替代的示例性实施例中，切割器台120的至少一部分未被插入到空腔720内。一旦切割器100已被插入到空腔720内，则在切割器100的外周边与空腔720的外表面之间形成气隙610。根据某些示例性实施例，润滑剂620被施加到切割器100的外周边或者被放置在空腔720内。在这些示例性实施例中，一旦切割器100被放置在空腔720内，润滑剂620填充气隙610的至少一部分，使得润滑剂620粘附于空腔720的外表面和切割器100的外周边两者并且占据其间的气隙610的一部分。在其它示例性实施例中，润滑剂620至少部分地被放置在空腔720的底表面与切割器100的基部之间。润滑剂620改善切割器100与声传感器570之间的声传输。根据一些示例性实施例，润滑剂620是凝胶，比如超声凝胶。然而，在替代的示例性实施例中，可以将其它材料用作润滑剂620，这些材料包括、但不限于油、油脂和乳液。这些材料能够扩散、粘附于表面并且不迅速变干。尽管切割器100被描述为用在该示例性实施例中，但是可以使用期望韧性测试的其它硬或超硬材料来替代切割器100。
返回参考图5和6，压头550在第一端部650为拱顶形，并且在第二端部652具有平面表面。压头550被制作为比切割器100更坚韧，使得一旦负荷580被施加于压头550，则是切割器100、而不是压头550受损。例如，压头550是由碳化钨钴制作而成的；然而，可以使用本领域的普通技术人员公知的其它材料来制作压头550。在某些示例性实施例中，压头550的钴含量在大约百分之六到大约百分之二十的范围内。在某些示例性实施例中，压头550的钴含量大于切割器100的切割器台120的钴含量。另外，在某些示例性实施例中，PCD层被形成或安装到压头550的第一端部650上。在这些实施例中，压头550的PCD层的钴含量大于切割器100的切割器台120的钴含量。而且，在这些示例性实施例中，压头550的PCD层的钴含量在大约百分之六到大约百分之二十的范围内。尽管在这些示例性实施例中使用钴以使压头比切割器100更坚韧，但是可以在替代的示例性实施例中使用本领域普通技术人员公知的其它成分。
压头550尺寸确定为配合在空腔720内，使得其与切割器100接触。在某些示例性实施例中，压头550的周边尺寸确定为大致类似于空腔720的周边。然而，在切割器台120的至少一部分未处于空腔720内的示例性实施例中，压头550的尺寸可以被确定为使得压头550的周边大于空腔720的周边。压头550被定向为使得第一端部650与切割器100接触。因此，在该实施例中，压头550的PDC层与切割器100的PDC层或切割器台120接触。负荷580被施加于第二端部652，该第二端部652将负荷580传输到切割器100上。尽管在这些示例性实施例中使用了拱顶形压头550，但是其它示例性实施例可以使用具有其它形状的压头。而且，第二端部652可以被形成为其它非平面形状而不脱离示例性实施例的范围和精神。
声传感器570是压电传感器，其沿着切割器保持件510的联接部分730定位。然而，声传感器570可以是本领域普通技术人员公知的任何其它设备类型，其中该设备能够检测声传输。声传感器570检测在切割器100中形成的弹性波信号，该切割器100然后将该弹性波信号转换成电压信号，使得数据可以被记录并且随后被分析。在某些示例性实施例中，润滑剂620被放置在联接部分730与声传感器570之间的接触区域处。如先前所述，润滑剂620改善从切割器100到声传感器570的弹性波传输的检测。根据一些替代的示例性实施例，声传感器570尺寸确定为使得其能够被放置在侧表面716的弧形部分上。声传感器570可通信地耦合到数据记录仪590，使得从发生在切割器100内的弹性波导出的电压信号可以被存储并随后被分析。声传感器570使用电缆592耦合到数据记录仪590；然而，根据其它示例性实施例，声传感器570可以使用包括但不限于红外和射频在内的无线技术可通信地无线耦合到数据记录仪590。
数据记录仪590记录从声传感器570发送的数据并且将数据存储在其中。在某些示例性实施例中，递送负荷580的装置(未示出)或机器也使用电缆582耦合到数据记录仪590；然而，根据其它示例性实施例，递送负荷580的装置可以使用包括但不限于红外和射频在内的无线技术可通信地无线耦合到数据记录仪590。数据记录仪590也处理和分析其接收的数据。尽管数据记录仪590记录、存储、处理和分析数据，但是根据一些示例性实施例，数据记录仪590可以接收该数据、处理该数据并分析该数据而不存储该数据。替代地，在其它示例性实施例中，数据记录仪590可以存储数据但不处理或分析该数据。在一些示例性实施例中，使用附加的设备(未示出)来处理和分析数据。
图10显示根据示例性实施例的图5的数据记录仪590的示意性框图。参考图5和10，数据记录仪590是计算机系统。数据记录仪590包括存储介质1040、用户接口1030、处理器1020以及显示器1010。
存储介质1040从声传感器570(图5)接收信息并且将该信息记录在其中。根据一个示例性实施例，存储介质1040是硬盘驱动器。然而，根据其它示例性实施例，存储介质1040包括下列至少之一：硬盘驱动器、可移动硬盘驱动器、USB驱动器、DVD、CD或者能够存储数据和/或软件的任何其它设备。在一些示例性实施例中，存储介质1040也包括软件，所述软件用于提供关于如何处理从声传感器570(图5)接收的信息或数据的指令。
用户接口1030允许用户与数据记录仪590接口并且提供用于操作数据记录仪590的指令。根据一些示例性实施例，该用户接口包括键盘。然而，根据其它示例性实施例，该用户接口包括下列至少之一：键盘、鼠标、可以是显示器1010的一部分的触摸屏、或者本领域普通技术人员公知的任何其它用户接口。
处理器1020能够从用户接口1030接收指令、访问存储在存储介质1040内的信息、将信息发送给存储介质1040、以及将信息发送给显示器1010。在一些示例性实施例中，存储器1020访问驻留在存储介质1040内的软件并且执行由该软件提供的指令集。下面进一步提供对这些指令的更详细描述。在一些示例性实施例中，处理器1020包括处理器引擎2200，该处理器引擎2200将在下面结合图16、17、18和22更详细地进行描述。
显示器1010从处理器接收信息并且将该信息传递给用户。根据一个示例性实施例，显示器1010包括监视器或屏幕。然而，根据其它示例性实施例，显示器1010包括下列至少之一：屏幕、触摸屏、打印机、或者能够将信息传递给用户的任何其它设备。
尽管未在图10中示出，但是数据记录仪590可以可通信地有线或无线耦合到内部网络，其中软件和/或来自声传感器570(图5)的数据存储在中央服务器(未示出)中。另外，根据一些替代的示例性实施例，数据记录仪590可以可通信地有线或无线耦合到调制解调器(未示出)，其中该调制解调器可通信地耦合到万维网。在某些替代的示例性实施例中，软件和/或来自声传感器570(图5)的数据存储在可通过万维网访问的远程位置处。
图8显示根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备505的透视图，其中压头550被从切割器保持件510去除。参考图8，切割器100被完全插入到切割器保持件510的空腔720内。如图所示，切割器100的直径小于空腔720的直径，由此形成气隙610。而且，PDC层或切割器台120在空腔720内被定向为使得PDC层朝向第一表面712。压头550被从空腔720去除以进一步示出压头550的一些特征。根据该示例性实施例，压头550包括衬底808和硬表面810，该硬表面被形成或联接到衬底808的顶部。在该示例性实施例中，硬表面810是由PCD形成的，但是替代的示例性实施例能让硬表面810由诸如PCBN之类的其它硬或超硬材料制作而成，而不脱离示例性实施例的范围和精神。尽管压头550具有拱顶形硬表面810，但是硬表面810可以是平面的、或者本领域普通技术人员公知的任何其它形状。如图所示，根据该示例性实施例，压头550具有与空腔720的直径基本类似的直径。
在替代的实施例中，压头550定位在空腔720内，从而让硬表面810朝向第一表面712。待测试的切割器100定位在压头550的顶部，其中切割器台120接触硬表面810。负荷580向下施加在测试切割器100的衬底110的背面。在测试切割器100中引发和/或传播的裂缝的声发射被传输穿过压头550并且被传输到声传感器570。在该示例性实施例中，切割器保持件510是可选的。
图9显示根据本发明的示例性替代实施例的声发射测试系统900的透视图。参考图9，声发射测试系统900包括可通信地耦合到数据记录仪507的声发射测试设备905。声发射测试设备905类似于图5的声发射测试设备505，区别在于声传感器570直接耦合到切割器100并且图5的切割器保持件510被去除。切割器100、压头550、负荷580、声传感器570以及数据记录仪590已经在前面参照图5、6、7、8和10进行了描述。而且，根据一些示例性实施例，润滑剂620(图6)被放置在声传感器570与切割器100之间。
声发射测试系统500的操作在参考图5-8时进行了描述。待测试的切割器100或者硬或超硬材料被放置在切割器保持件510的空腔720内。为了改善横越切割器100的基部或底表面与空腔720的基部之间的接触表面的弹性波传输，可以在切割器100的底表面与空腔720的基部之间使用基于矿物油的凝胶620。声传感器570被定位为抵靠切割器保持件510的联接部分730以检测在切割器100内生成的弹性波。为了改善横越声传感器570与联接部分730之间的接触表面的弹性波传输，也在声传感器570与联接部分730之间使用基于矿物油的凝胶620。压头550被放置在切割器100的PCD层120的顶部上，并且使用负荷580推抵该PCD层120。负荷580使用100千牛顿8500系列英斯特朗(Instron)机器被提供在压头550上。该机器(未显示)能够控制施加于压头550的负荷量。该机器接线(hooked up)到数据记录仪590，使得测量负荷与时间的关系。尽管公开了能够提供负荷580的机器的一个例子，但是能够将可测量的负荷提供给压头550的任何系统都在本发明的示例性实施例的范围内。例如，用于递送可测量的负荷580的机器或装置的范围可以是从手持式锤到完全仪器化的冲击机器、或者到负荷受控的液压机以用于稳定的斜坡或循环负荷历史。
负荷580被施加到压头550上并且以恒定速率增加到所期望的负荷水平。一旦达到所期望的负荷水平，则该负荷水平就可以被维持持续可以在几秒到若干分钟的范围内的所期望的一段时间，并且然后以比斜升速率更快的速率斜降。每当新的裂缝形成或者已存在的裂缝在顶部金刚石层130内生长时，几乎同时以穿过PCD层120、衬底110和切割器保持件510的一连串弹性波的形式释放一定量的弹性能量。声传感器570检测这些弹性波并且将接收到的信号转换成电压信号。声传感器570可通信地耦合到数据记录仪590，使得声发射或数据相对于时间被记录。这些声发射包括背景噪声和声事件。因此，由于声发射历史和负荷历史被记录到数据记录仪590上，因此可以确定某些声事件是以什么负荷580发生的。声事件是形成新的裂缝或者当已存在的裂缝在PDC层120中生长时的事件。根据一个示例性实施例，声传感器570以大约每秒5,000数据点向数据记录仪590提供数据；然而，可以增加或减小每秒数据点而不脱离示例性实施例的范围和精神。
图11显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约2千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示1100。参考图11，切割器声发射和负荷表示1100包括时间轴线1110、负荷轴线1120以及声发射轴线1130。时间轴线1110由x轴线来表示，并且带有秒乘5,000的单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴线1100的数值将被除以5,000。时间轴线1110还可以被理解为能量正在被递送到样本。换言之，随着更多的时间过去，对切割器或测试样本施加更多总能量。负荷轴线1120由y轴线来表示，并且带有千牛顿的单位。声发射轴线1130也由y轴线来表示，并且带有毫伏乘10的单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴线1130的数值将被除以10。负荷曲线1140和声发射曲线1160两者都在切割器声发射和负荷表示1100上予以示出。根据负荷曲线1140，负荷以恒定速率1142或斜升速率从0千牛顿增加到2千牛顿。在该例子中，负荷在峰值负荷水平1143或2千牛顿保持一段时间，并且然后以比斜升速率1142更快的斜降速率1144斜降。声发射曲线1160表示来自声传感器的记录信号。根据声发射曲线1160，仅有的记录的声发射是背景噪声1162。不存在检测到的声事件。而且，随着负荷增加，背景噪声1162也增加。
图12显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约5千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示1200。参考图12，切割器声发射和负荷表示1200包括时间轴线1210、负荷轴线1220以及声发射轴线1230。时间轴线1210由x轴线来表示，并且带有秒乘5,000的单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴线1210的数值将被除以5,000。时间轴线1210还可以被理解为能量正在被递送到样本。换言之，随着更多的时间过去，对切割器或测试样本施加更多总能量。负荷轴线1220由y轴线来表示，并且带有千牛顿的单位。声发射轴线1230也由y轴线来表示，并且带有毫伏乘10的单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴线1230的数值将被除以10。负荷曲线1240和声发射曲线1260两者都在切割器声发射和负荷表示1200上予以示出。根据负荷曲线1240，负荷以恒定速率1242或斜升速率从0千牛顿增加到5千牛顿。在该例子中，负荷在峰值负荷水平1243或5千牛顿保持一段时间，并且然后以比斜升速率1242更快的斜降速率1244斜降。声发射曲线1260表示来自声传感器的记录信号。根据声发射曲线1260，仅有的记录的声发射是背景噪声1262。不存在检测到的声事件。而且，随着负荷增加，背景噪声1262也增加。
图13显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约30千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示1300。参考图13，切割器声发射和负荷表示1300包括时间轴线1310、负荷轴线1320以及声发射轴线1330。时间轴线1310由x轴线来表示，并且带有秒乘5,000的单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴线1310的数值将被除以5,000。时间轴线1310还可以被理解为能量正在被递送到样本。换言之，随着更多的时间过去，对样本施加更多总能量。负荷轴线1320由y轴线来表示，并且带有千牛顿的单位。声发射轴线1330也由y轴线来表示，并且带有毫伏乘10的单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴线1330的数值将被除以10。负荷曲线1340和声发射曲线1360两者都在切割器声发射和负荷表示1300上予以示出。根据负荷曲线1340，负荷以恒定速率1342或斜升速率从0千牛顿增加到30千牛顿。在该例子中，负荷在峰值负荷水平1343或30千牛顿保持一段时间，并且然后以比斜升速率1342更快的斜降速率1344斜降。声发射曲线1360表示来自声传感器的记录信号。根据声发射曲线1360，所记录的声发射包括背景噪声1362和一个或多个声事件1364。背景噪声1362构成在测试期间所记录的数据的大部分。声事件1364被显示为很细的竖直线，所述竖直线从背景噪声1362显著地向上延伸。每个声事件1364高于背景噪声1362的高度以校准常数与由每个断裂形成和/或传播事件释放的弹性能量的量成比例。每个单个声事件1364持续平均大约50毫秒。根据该示例性实施例，声传感器每秒采样大约5000个数据点，这允许检测这些声事件1364。而且，随着负荷增加，背景噪声1362也增加。在完成该测试之后，切割器被视觉地检查。尽管在切割器的顶部PCD表面上不存在任何损伤的视觉迹象，但是声传感器确实检测到发生在切割器内的声事件。因此，声传感器能够检测切割器一旦暴露在负荷下所发生的最小损伤，即使该损伤是不可见的。
图14显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约40千牛顿负荷的切割器的切割器声发射和负荷图形表示。在图14中表示的测试中使用了在图13中表示的测试中使用的相同切割器样本。参考图14，切割器声发射和负荷表示1400包括时间轴线1410、负荷轴线1420以及声发射轴线1430。时间轴线1410由x轴线来表示，并且带有秒乘5,000的单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴线1410的数值将被除以5,000。时间轴线1410还可以被理解为能量正在被递送给样本。换言之，随着更多的时间过去，对样本施加更多总能量。负荷轴线1420由y轴线来表示，并且带有千牛顿的单位。声发射轴线1430也由y轴线来表示，并且带有毫伏乘10的单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴线1430的数值将被除以10。负荷曲线1440和声发射曲线1460两者都在切割器声发射和负荷表示1400上予以示出。根据负荷曲线1440，负荷以恒定速率1442或斜升速率从0千牛顿增加到40千牛顿。在该例子中，负荷在峰值负荷水平1443或40千牛顿保持一段时间，并且然后以比斜升速率1442更快的斜降速率1444斜降。声发射曲线1460表示来自声传感器的记录信号。根据声发射曲线1460，所记录的声发射包括背景噪声1462和一个或多个声事件1464。声事件1464被显示为竖直线，所述竖直线从背景噪声1462显著地向上延伸。每个声事件1464高于背景噪声1462的高度以校准常数与由每个断裂形成和/或传播事件释放的弹性能量的量成比例。如图14中可见，在切割器内未发生声事件1464，直到负荷达到或超过该切割器所受到的先前负荷。例如，该切割器之前受到高达30千牛顿的负荷，如图13中所述。因此，新的声事件1464在负荷达到和/或超过阈值1466之前一直未出现，所述阈值在该例子中为之前施加到该切割器的大约30千牛顿。基于所述实验，似乎为了生成新的裂缝或者为了使切割器中的在先前测试运行中已经形成的已存在的裂缝生长，应施加等于或高于先前峰值负荷水平1343的负荷水平。
图15A显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约45千牛顿负荷的切割器制造商#1切割器样本#1切割器类型的切割器声发射和负荷图形表示1500。图15B显示根据本发明的示例性实施例的针对受到高达大约30千牛顿负荷的切割器制造商#2切割器样本#2切割器类型的切割器声发射和负荷图形表示1550。参考图15A和15B，切割器声发射和负荷表示1500包括声发射曲线1510，该声发射曲线显示在切割器制造商#1切割器样本#1切割器类型中发生的一个或多个声事件1520；而切割器声发射和负荷表示1550包括声发射曲线1560，该声发射曲线显示在切割器制造商#2切割器样本#2切割器类型中发生的一个或多个声事件1570。与在切割器制造商#1切割器样本#1切割器类型中相比，在切割器制造商#2切割器样本#2切割器类型内发生了显著更多的声事件1520和1570。因此，不同的切割器类型在其相应的声发射曲线内显示出不同的声模式。基于这些结果，用户可以确定哪种切割器类型比另一切割器类型更坚韧，并且由此可以根据其韧性对切割器进行排名。在该情况下，切割器制造商#1切割器样本#1切割器类型比切割器制造商#2切割器样本#2切割器类型更坚韧。
基于图11-15中所示的实验结果，存在至少若干可作出的观察结果。首先，声传感器能够检测在压头被施加负荷时的切割器的金刚石台内的裂缝形成和裂缝生长，并且能够发送可随后进行分析的信号。其次，不同的切割器类型显示出不同的声事件模式，并且允许用户在与另一切割器进行比较时对切割器的韧性进行排名。第三，尽管可能在测试之后在切割器的PDC台的表面上不存在可检测到的可见损伤，但是声传感器能够检测发生在切割器上的任何不可见的损伤。
图16示出根据本发明的示例性实施例的用于分析从声传感器接收到的数据点的方法1600的流程图，其中该方法包括单循环方法1680以及双循环方法1690。尽管某些步骤被显示为以特定顺序进行，但是步骤序列可以变化而不脱离示例性实施例的范围和精神。而且，尽管某些功能是在一个或多个步骤中执行的，但是用于执行该功能的步骤的数量可以增加或减少而不脱离示例性实施例的范围和精神。
参考图16，在步骤1605，方法1600开始。方法1600从步骤1605进行到步骤1610。在步骤1610，确定用于将数据点定性为可能的声事件的高于背景噪声的一个或多个最小阈值。在完成步骤1610之后，方法1600进行到步骤1615和步骤1625，所述步骤在某些示例性实施例中可以同时发生。在步骤1615，确定界定背景噪声的外部包络的背景点。在步骤1625，基于在步骤1610确定的一个或多个阈值来确定可能的声事件点。步骤1615和1625被包括在单循环方法1680中，该方法将在下面结合图17更详细地进行描述。
方法1600从步骤1615进行到步骤1620。在步骤1620，对在步骤1615确定的背景点进行内插以产生背景噪声函数曲线。方法1600从步骤1620和1625进行到步骤1630。在步骤1630，使用在步骤1680所确定的可能的声事件点和在步骤1620所确定的背景噪声函数曲线来确定实际声事件点。方法1600从步骤1630进行到步骤1635。在步骤1635，确定每个实际声事件点的幅度和持续时间。方法1600从步骤1635进行到步骤1640。在步骤1640，计算每个声事件点之下的面积。方法1600从步骤1640进行到步骤1645。在步骤1645，针对每个声事件点将所述面积的累积分布与实际测试负荷相比较。用户可以使用该比较来确定一个切割器相对于另一切割器的相对韧性。该比较允许使用定量和客观的方法进行确定。声事件点的持续时间、幅度和频率以及递送到样本的相应能量或负荷的水平可以与PCD或正在测试的其它硬或超硬材料的现场冲击性能直接相关。方法1600不仅允许测量为了引发某种损伤所需的外部做功或负荷的最小量，而且允许测量为了增加损伤水平必须完成的附加做功或负荷的量。在步骤1645之后，方法1600进行到步骤1650，在该步骤方法1600停止。
图19显示根据本发明的示例性实施例的针对受到负荷的切割器的切割器声发射图形表示1900。图20显示根据本发明的示例性实施例的针对受到负荷的切割器的切割器声发射图形表示2000的一部分的放大图。图21显示根据本发明的示例性实施例的针对每个实际声事件的累积分布表示2100。图19-21描绘图16的方法1600中所示的大部分步骤。
参考图19，切割器声发射表示1900包括时间轴线1910以及声发射轴线1930。时间轴线1910由x轴线来表示，并且带有秒乘5,000的单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴线1910的数值将被除以5,000。声发射轴线1930由y轴线来表示，并且带有毫伏乘10的单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴线1930的数值将被除以10。声发射数据1960在切割器声发射表示1900上予以示出。声发射数据1960表示来自声传感器的记录信号。根据声发射数据1960，所记录的声发射数据包括一个或多个背景点1962和一个或多个可能的声事件点1964。参考图16和19并且根据图16的步骤1615和步骤1625，声发射数据1960被分类以包括背景点1962和可能的声事件点1964。根据一个示例性实施例，声发射数据1960的分类是使用驻留在数据记录仪590(图5)内的算法来执行的。然而，该算法可以在替代的示例性实施例中存储在另一设备中，或者人工地执行。替代地，可以使用本领域普通技术人员公知并且具有本公开的益处的其它方法来对声发射数据1960进行归类。如图19中所示，每个背景点1962用圆圈标记，并且每个可能的声事件点1964用方块标记。有一些点未被限定为背景点1962、也未被限定为可能的声事件点1964。这些标记是用于说明目的，并且不意味着限制本发明的示例性实施例的范围。
参考图16和19并且根据图16的步骤1620，使用所确定的背景点1962来内插背景噪声函数曲线1970。根据一个示例性实施例，背景噪声函数曲线1970是使用四阶多项式内插的；然而，可以使用其它阶的多项式来对背景点1962进行内插而不脱离示例性实施例的范围和精神。
参考图20，呈现了切割器声发射图形表示2000的放大部分。根据该图，包括实际声事件点2010的每个声发射数据1960具有其发生的持续时间2020。附加地，每个实际声事件点2010具有幅度2030，所述幅度是从背景噪声函数曲线1970到该实际声事件点2010所处的位置竖直地测量的。参考图16和20并且根据图16的步骤1635，计算出实际声事件点2010的幅度2030和持续时间2020。一旦确定幅度2030和持续时间2020，则通过将幅度2030与持续时间2020相乘来计算每个实际声事件点2010下的面积2040。该步骤在图16的步骤1640中完成。根据示例性实施例中的一些，面积2040的单位是毫伏乘秒乘5000；然而，可以使用其它单位而不脱离示例性实施例的范围和精神。
参考图21，呈现每个实际声事件的累积分布表示2100。参考该图，累积分布表示2100包括负荷轴线2110以及声发射面积轴线2130。负荷轴线2110由x轴线来表示，并且带有千牛顿的单位。声发射面积轴线2130由y轴线来表示，并且带有毫伏乘秒乘50000的单位。这是所确定的处于实际声事件点下的面积。因此，为了获得以毫伏乘秒为单位的面积，声发射面积轴线2130的数值将被除以50000。参考图16和21并且根据图16的步骤1645，针对每个实际声事件，将沿着声发射面积轴线2130绘制的面积的累积分布与沿着负荷轴线2110绘制的实际测试负荷相比较。累积分布表示2100为切割器制造商#1切割器样本#1切割器绘图2150和切割器制造商#2切割器样本#2切割器绘图2160提供了这些比较。
例如，在这三个切割制造商#1切割器样本#1切割器绘图2150之一中，在大约28千牛顿和大约3550毫伏乘秒乘50,000处存在实际声事件点，该声事件点被标记为点A 2152。这意味着，存在发生在所有以前的实际声事件点下的3550毫伏乘秒乘50,000的累积面积，包括发生在大约28千牛顿负荷处的实际声事件点的面积。该相同曲线上的下一实际声事件点、即点B 2154发生在大约32.5千牛顿处。该实际声事件点下的面积为大约650毫伏乘秒乘50,000，其未直接在累积分布表示2100上显示。然而，在大约32.5千牛顿处，已经存在大约4200毫伏乘秒乘50,000的累积面积。因此，大约4200毫伏乘秒乘50,000减去大约3550毫伏乘秒乘50,000等于大约650毫伏乘秒乘50,000。较硬的切割器或者固有韧性更大的切割器提供针对给定负荷的具有较小累积面积的曲线。与具有不太陡峭曲线以及较少高幅度实际声事件点的切割器相比，具有大量高幅度实际声事件点的具有陡峭曲线的切割器是固有韧性较低的。因此，根据累积分布表示2100，切割器制造商#1切割器样本#1切割器绘图2150与切割器制造商#2切割器样本#2切割器绘图2160之间的比较指示切割器制造商#1切割器样本#1切割器比切割器制造商#2切割器样本#2切割器的固有韧性更高。而且，根据图21，存在表示切割器制造商#1切割器样本#1切割器绘图2150的3条曲线以及表示切割器制造商#2切割器样本#2切割器绘图2160的2条曲线。这些绘图2150和2160示出方法1600(图16)具有高分辨能力，使得可检测相同组的样本内的可变性。图16中所提供的方法向用户提供信息以用于以客观方式在其它切割器间对切割器韧性进行排名。
图17示出根据本发明的示例性实施例的图16的单循环方法1680的详细流程图。参考图17，在步骤1705，单循环方法1680开始。单循环方法1680从步骤1705进行到步骤1710。在步骤1710，读取第一数据点。在完成步骤1710之后，单循环方法1680进行到步骤1715，在该步骤读取下一数据点。在步骤1715之后，单循环方法1680进行到步骤1720。在步骤1720，计算两个数据点之间的差并且将该差与用于限定声事件的第一容许值相比较。根据一个示例性实施例，第一容许值为大约0.5毫伏。然而，第一容许值可以在其它示例性实施例中更高或更低。如果两个数据点之间的差不小于第一容许值，则单循环方法1680进行到步骤1725。在步骤1725，将两个数据点中的第二个限定为可能的声事件点。单循环方法1680从步骤1725进行到步骤1745，在该步骤单循环方法1680确定是否存在另一数据点。如果在步骤1745确定不存在另一数据点，则单循环方法1680进行到步骤1750，在该步骤单循环方法1680停止。然而，如果在步骤1745确定存在另一数据点，则单循环方法1680回到步骤1715。
如果在步骤1720确定两个数据点之间的差小于第一容许值，则单循环方法1680进行到步骤1730。在步骤1730，将两个数据点之间的差与第二容许值相比较。根据一个示例性实施例，第二容许值为大约0.01毫伏。然而，第二容许值可以在其它示例性实施例中更高或更低。如果两个数据点之间的差不小于第二容许值，则单循环方法1680回到步骤1715，并且不限定第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差小于第二容许值，则单循环方法1680进行到步骤1735。
在步骤1735，确定两个数据点之间的差是否为负并且已经连续地小于“z”次为负或者确定该差是否为正并且已经连续小于“u”次为正。根据一个示例性实施例，“z”为2并且“u”为3。然而，“u”值和“z”值任一或两者可以在其它示例性实施例中更高或更低。如果两个数据点之间的差为负并已经连续地小于“z”次为负或者为正并已经连续小于“u”次为正并非是真的，则单循环方法1680回到步骤1715并且不限定第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差为负并已经连续地小于“z”次为负或者为正并已经连续小于“u”次为正，则单循环方法1680进行到步骤1740。
在步骤1740，两个数据点中的第二个被限定为背景边界点。单循环方法1680从步骤1740进行到步骤1745，在该步骤确定是否存在另一数据点。单循环方法1680继续，直到按照上述步骤到达步骤1750。因此，单循环方法1680提供了一种方法来确定哪些数据点应当被限定为可能的声事件点、背景边界点或者不被限定为任一点类型。
图18示出根据本发明的示例性实施例的图16的双循环方法1690的详细流程图。参考图18，在步骤1805，双循环方法1690开始。双循环方法1690从步骤1805进行到步骤1810。在步骤1810，使用背景边界点来创建背景噪声函数曲线。在完成步骤1810之后，双循环方法1690进行到步骤1815，在该步骤读取第一可能的声事件点。在步骤1815之后，双循环方法1690进行到步骤1820。在步骤1820，计算出可能的声事件点与背景噪声函数曲线之间的差，并且确定该差是否大于用于限定实际声事件点的第三容许值。根据一个示例性实施例，第三容许值为大约0.08毫伏。然而，第三容许值可以在其它示例性实施例中更高或更低。如果可能的声事件点与背景噪声函数曲线之间的差不大于第三容许值，则双循环方法1690进行到步骤1825。在步骤1825，读取下一可能的声事件点并且双循环方法1690回到步骤1820。然而，如果可能的声事件点与背景噪声函数曲线之间的差大于第三容许值，则双循环方法1690进行到步骤1830。
在步骤1830，计算实际声事件点与背景噪声函数曲线之间的幅度、持续时间和面积。双循环方法1690从步骤1830进行到步骤1840。在步骤1840确定是否存在另一可能的声事件点。如果存在另一可能的声事件点，则双循环方法1690回到步骤1825，在该步骤双循环方法1690继续。然而，在步骤1840，如果不存在另一可能的声事件点，则双循环方法1690进行到步骤1845，在该步骤双循环方法1690停止。因此，双循环方法1690提供了一种方法来确定哪些数据点应当被限定为实际声事件点并然后为每个所限定的声事件点计算面积。
图22示出根据示例性实施例的图10的处理器1020的框图。如先前所述，用于执行图16-18中所示的一个或多个步骤的方法是在处理器1020内执行的。然而，在某些其它示例性实施例中，这些方法是人工执行的，或者是人工地和处理器内执行的组合。处理器1020位于数据记录仪590或计算机系统内。尽管显示一个处理器1020，但是可以使用多个处理器而不脱离示例性实施例的范围和精神。处理器1020包括一个或多个处理器引擎2200。
处理器引擎2200包括：声数据收集引擎2210、背景点确定引擎2220、可能的声事件点确定引擎2230、背景噪声函数曲线内插引擎2240、实际声事件点确定引擎2250、实际声事件面积计算引擎2260、以及累积面积和负荷曲线引擎2270。尽管在处理器引擎2200内包括7个引擎，但是引擎的数量可以在其它示例性实施例中更大或更小。另外，这些先前提到的处理器引擎2200中的一个或多个可以被组合成更少的处理器引擎2200或者被分成附加的处理器引擎2200而不脱离示例性实施例的范围和精神。
声数据收集引擎2210从至少声传感器收集数据，该数据包括背景点和可能的声事件点。在一些示例性实施例中，声数据收集引擎2210也收集来自负荷的数据，使得相应的背景点和可能的声事件点与给定负荷相关。背景点确定引擎2220评价从声传感器获得的数据，并且确定所述数据点是否是背景点。背景点确定引擎2220执行图16的步骤1615。可能的声事件点确定引擎2230评价从声传感器获得的数据，并且确定所述数据点是否是可能的声事件点。可能的声事件点确定引擎2230执行图16的步骤1625。背景点确定引擎2220和可能的声事件点确定引擎2230彼此同时运行，但是可以在一些替代的示例性实施例中彼此独立地运行。
背景噪声函数曲线内插引擎2240使用先前确定的背景点来生成背景噪声函数曲线。背景噪声函数曲线内插引擎2240执行图16的步骤1620。实际声事件点确定引擎2250使用先前确定的可能的声事件点和背景噪声函数曲线来确定实际声事件点。实际声事件点确定引擎2250执行图16的步骤1630。一旦确定了实际声事件点，则实际声事件面积计算引擎2260确定在实际声事件点与背景噪声函数曲线之间形成的面积。实际声事件面积计算引擎2260执行图16的步骤1635和步骤1640。累积面积和负荷曲线引擎2270针对每个实际声事件点将累积面积分布与实际测试负荷相比较。累积面积和负荷曲线引擎2270执行图16的步骤1645。尽管处理器引擎2200在一些示例性实施例中位于处理器1020中，但是处理器引擎2200可以驻留在存储介质中，包括、但不限于：一个或多个硬盘驱动器、USB驱动器、光盘、数字视频盘、或者本领域普通技术人员公知或还未知的任何其它存储设备。
尽管在示例性实施例中描述了处理器引擎2200，但是用于确定切割器的韧性的指令可以在驻留在存储介质1040(图10)内的软件中提供。该软件包括类似于上述处理器引擎2200的模块和/或代码。
图23显示根据示例性实施例的代替图1的切割器100的、在图5和9的相应声发射测试系统500和900内可测试的岩石样本2300。参考图5、6、9和23，岩石样本2300代替声发射测试系统500或声发射测试系统900中的切割器100。测试方法和结果的分析类似于上述的那些方法和分析并且提供与岩石样本2300的无侧限抗压强度和/或韧性相关的信息。
岩石样本2300为圆柱形，其类似于切割器100。岩石样本包括在岩石样本2300的一个端部处的第一平面表面2310，在岩石样本的相对端部处的第二平面表面2320，以及从第一表面2310延伸到第二表面2320的圆周表面2330。然而，在替代的示例性实施例中，岩石样本2300成形为其它几何或非几何形状，如立方形。在某些示例性实施例中，岩石样本2300的形状是可重复形状，使得多个岩石样本2300形成有大致类似的形状；由此允许测试结果是可比较的。
图24显示根据示例性实施例的插入可加压室2410内的图5的声发射测试设备505。可加压室2410内的压力以可控制和可测量方式可变。可加压室2410内的压力在一些示例性实施例中从0psi可变化到大约40000psi；然而，压力的范围可以在其它示例性实施例中更高或更低。在该示例性实施例中，包括传感器570和压头550的其它部件能够耐受在可加压室2410内形成的压力。根据这些示例性实施例，岩石侧限抗压强度和韧性在液体静压力的不同水平下是可测量的，由此提供在地球表面之下的不同深度处的岩石性质的重要信息。所收集的信息可用于改善岩石故障机制的知识并且也导致新的理论和岩石固体力学模型。所收集的信息也可用于确认还未证明的其它已知理论。尽管可加压室2410是用于在压力下测试硬或超硬材料100(如岩石样本2300)的一种方法，但是可以在替代的示例性实施例中使用用于在硬或超硬材料100上提供压力的其它机构，如使用组装在一起并且围绕硬或超硬材料100的高强度结合环。
岩石样本2300的UCS和韧性的知识可由设计者使用以产生具有出色性能的新的和创新的钻头设计和/或开发包含UCS值和K1C值的新的钻头设计程序。从岩石样本2300获得的信息可用于校准地球科学和/或地质力学软件和工具。
尽管已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是替代的示例性实施例包括使用硬或超硬材料100的加热。硬或超硬材料100的该加热发生在将负荷施加到硬或超硬材料100之前、期间和/或之后任一或其组合。热以本领域普通技术人员公知的多种方式中的任何一种被供应，所述方式包括、但不限于火焰、激光、红外线和/或加热液体。
根据某些示例性实施例，存在各种不同类型的硬或超硬材料100，包括不同类型的切割器100(切割器类型)。根据某些示例性实施例，每种类型的切割器100由相同制造商以相同尝试设计规范制造和/或制作。尽管相同类型的切割器100中的每个切割器100的硬度不精确地相同，但是假设相同类型的切割器100中的每个切割器100的硬度彼此相似或至少与确定硬度相关，所述确定硬度例如可以是针对该特定类型的切割器100的平均硬度或在测试切割器中最经常出现的硬度。根据一些示例性实施例，作为例子，不同切割器类型包括：a)由相同制造商并且以不同规范制造的切割器；b)由不同制造商并且以不同规范制造的切割器；和/或c)由不同制造商并且以相同规范制造的切割器。测试切割器是从经历上述的声测试的特定切割器类型选择的切割器100的组。测试切割器包括来自特定切割器类型中的1个切割器100到50个切割器100的任何数量的切割器，然而测试切割器的数量可以更加大。因此，在当硬或超硬材料100是切割器100时的例子中，一个或多个测试切割器100从特定切割器类型选择并且根据上述的声测试方法进行测试。针对测试切割器100确定的硬度表示属于该相应的切割器类型的所有切割器100的硬度。一旦各种切割器类型相对于其它切割器类型的硬度被用户知道，用户能够确定哪种切割器类型对于它将用于其中的应用是可接受的或最佳的。根据一些示例性实施例，这些切割器100联接到使用的工具，例如井下工具(如钻头或铰刀)。钻头包括至少一个切割器100，其中它的硬度已从由与切割器100相同的切割器类型制造的测试切割器100确定并且其已经历上述的声测试方法。在某些示例性实施例中，工具、钻头或其它井下工具包括来自不同切割器类型的两个或更多个切割器100，其中至少一个切割器100已从由与所述至少一个切割器100相同的切割器类型制造的测试切割器100确定其硬度并且其已经历上述的声测试方法。
尽管已经详细描述了每个示例性实施例，但是应当理解适用于一个实施例的任何特征和修改也适用于其它实施例。此外，尽管参考具体实施例描述了本发明，但是这些描述并不旨在以限制性的方式来解释。通过参考示例性实施例的描述，所公开的实施例的各种修改以及本发明的替代实施例将对本领域普通技术人员显而言变得易见。本领域普通技术人员应当领会，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计实现本发明相同目的的其它结构和方法的基础。本领域普通技术人员同样应当认识到这样的等效构造并不脱离附带的权利要求中所述的本发明的精神和范围。因此，可以预料权利要求将涵盖落入本发明范围内的任何这样的修改或实施例。

Claims (50)

1.具有第一韧性的第一切割器，所述第一韧性从具有第二韧性的至少一个测试切割器确定，所述第二韧性使用一种方法确定，所述方法包括：
提供声发射测试设备，所述声发射测试设备包括：
包括第一表面的所述测试切割器；
可通信地耦合到所述测试切割器的声传感器；
可释放地耦合到所述第一表面的压头，所述压头的韧性比所述测试切割器的韧性更大；以及
施加到所述压头上的负荷，所述压头将所述负荷传递到所述第一表面上；
将所述负荷施加到所述压头上，所述压头将所述负荷传递到所述测试切割器上；
从所述声发射测试设备获得数据；
检测在所述测试切割器内发生的声事件；以及
基于所述声事件和所述数据客观地计算所述测试切割器的第二韧性，
其中所述第一切割器和所述至少一个测试切割器来自相同切割器类型。
2.根据权利要求1所述的第一切割器，其中将所述负荷施加到所述压头上包括：
以斜升速率将所述负荷增加到峰值负荷；
保持所述峰值负荷持续一段时间；以及
以斜降速率减小所述负荷。
3.根据权利要求2所述的第一切割器，其中所述斜降速率大于所述斜升速率。
4.根据权利要求1所述的第一切割器，其中从所述声发射测试设备获得数据包括从所述声传感器和所述负荷获得数据。
5.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述声发射测试设备包括耦合到所述测试切割器的所述声传感器。
6.根据权利要求5所述的第一切割器，其中所述声发射测试设备还包括定位在所述声传感器和所述测试切割器之间的润滑剂。
7.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述声发射测试设备还包括保持件，所述保持件包括在其中的空腔，其中所述测试切割器定位在所述空腔内，并且其中所述声传感器耦合到所述保持件。
8.根据权利要求7所述的第一切割器，其中所述空腔的直径大于所述测试切割器的直径，由此在所述空腔的外表面与所述测试切割器的外表面之间形成气隙。
9.根据权利要求8所述的第一切割器，其中所述声发射测试设备还包括定位在所述气隙内的润滑剂，所述润滑剂接触所述空腔的外表面、所述测试切割器的外表面以及其间的气隙的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述方法还包括加热所述测试切割器。
11.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述方法还包括加压所述测试切割器。
12.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述压头包括PDC端部，所述PDC端部接触所述测试切割器的所述第一表面。
13.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述压头包括在大约百分之六到大约百分之二十的范围内的钴含量。
14.根据权利要求1所述的第一切割器，其中所述压头包括第一端部，所述第一端部接触所述测试切割器，所述第一端部为拱顶形。
15.具有第一韧性的第一切割器，所述第一韧性从具有第二韧性的至少一个测试切割器确定，所述第二韧性使用计算机执行的方法确定，所述计算机执行的方法包括以下步骤：
由声数据收集引擎收集以当负荷施加到所述测试切割器上时从声传感器收集声数据，所述声传感器可通信地耦合到所述测试切割器；
由背景点确定引擎确定以确定一个或多个背景点；
由可能的声事件点确定引擎确定以确定一个或多个可能的声事件点；
由背景噪声函数曲线内插引擎内插以使用所述背景点内插背景噪声函数曲线；
由实际声事件点确定引擎确定以使用所述可能的声事件点和所述背景噪声函数曲线确定一个或多个实际声事件点；以及
由实际声事件面积计算引擎计算以计算在所述实际声事件点和所述背景噪声函数曲线之间包围的声事件面积，
其中所述第一切割器和所述至少一个测试切割器来自相同切割器类型。
16.根据权利要求15所述的第一切割器，其中由背景点确定引擎确定和由可能的声事件点确定引擎确定同时被执行。
17.根据权利要求16所述的第一切割器，其中当两个顺序数据点之间的差小于第一阈值时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于所述第一阈值时确定可能的声事件点。
18.根据权利要求16所述的第一切割器，其中当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于第一阈值时确定可能的声事件点。
19.根据权利要求16所述的第一切割器，其中当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值并且为负且已经连续地小于“z”次为负时或者当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值并且为正且已经连续地小于“u”次为正时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于第一阈值时确定可能的声事件点。
20.根据权利要求15所述的第一切割器，其中当可能的声事件点和所述背景噪声函数曲线之间的差大于第三阈值时确定实际声事件点。
21.根据权利要求15所述的第一切割器，其中通过将来自所述背景噪声函数曲线的实际声事件点的每一个的幅度乘以实际声事件点的每一个的相应持续时间计算每个声事件面积。
22.根据权利要求15所述的第一切割器，其中所述方法还包括由累积面积和负荷曲线引擎生成以针对每个实际声事件点使用在所述实际声事件点和所述背景噪声函数曲线之间包围的累积面积生成累积面积和负荷曲线。
23.根据权利要求22所述的第一切割器，其中通过使用相应实际声点的负荷和相应实际点的累积面积绘制每个实际声事件点生成所述累积面积和负荷曲线，其中所述累积面积包括在相应实际声点之下和在所有先前实际声点之下的总面积。
24.根据权利要求22所述的第一切割器，其中用户使用所述累积面积和负荷曲线客观地确定所述测试切割器的第二韧性。
25.根据权利要求15所述的第一切割器，其中所述方法还包括加压所述测试切割器。
26.一种井下工具，所述井下工具包括：
具有第一韧性的第一切割器，所述第一韧性从具有第二韧性的至少一个测试切割器确定，所述第一切割器包括具有接触面的衬底和具有第一表面和第二表面的切割台，所述第二表面在所述接触面处联接到所述衬底，
其中所述测试切割器的第二韧性使用一种方法确定，所述方法包括：
提供声发射测试设备，所述声发射测试设备包括：
所述测试切割器；
可通信地耦合到所述测试切割器的声传感器；
可释放地耦合到所述第一表面的压头，所述压头比所述测试切割器更坚韧；以及
施加到所述压头上的负荷，所述压头将所述负荷传递到所述第一表面上；
将所述负荷施加到所述压头上，所述压头将所述负荷传递到所述测试切割器上；
从所述声发射测试设备获得数据；
检测在所述测试切割器内发生的声事件；以及
客观地计算所述测试切割器的第二韧性，以及
其中所述第一切割器和所述至少一个测试切割器来自相同切割器类型。
27.根据权利要求26所述的井下工具，其中将所述负荷施加到所述压头上包括：
以斜升速率将所述负荷增加到峰值负荷；
保持所述峰值负荷持续一段时间；以及
以斜降速率减小所述负荷。
28.根据权利要求27所述的井下工具，其中所述斜降速率大于所述斜升速率。
29.根据权利要求26所述的井下工具，其中从所述声发射测试设备获得数据包括从所述声传感器和所述负荷获得数据。
30.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述声发射测试设备包括耦合到所述测试切割器的所述声传感器。
31.根据权利要求30所述的井下工具，其中所述声发射测试设备还包括定位在所述声传感器和所述测试切割器之间的润滑剂。
32.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述声发射测试设备还包括保持件，所述保持件包括在其中的空腔，其中所述测试切割器定位在所述空腔内，并且其中所述声传感器耦合到所述保持件。
33.根据权利要求32所述的井下工具，其中所述空腔的直径大于所述测试切割器的直径，由此在所述空腔的外表面与所述测试切割器的外表面之间形成气隙。
34.根据权利要求33所述的井下工具，其中所述声发射测试设备还包括定位在所述气隙内的润滑剂，所述润滑剂接触所述空腔的外表面、所述测试切割器的外表面以及其间的气隙的至少一部分。
35.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述方法还包括加热所述测试切割器。
36.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述方法还包括加压所述测试切割器。
37.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述压头包括PDC端部，所述PDC端部接触所述测试切割器的所述第一表面。
38.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述压头包括在大约百分之六到大约百分之二十的范围内的钴含量。
39.根据权利要求26所述的井下工具，其中所述压头包括第一端部，所述第一端部接触所述测试切割器，所述第一端部为拱顶形。
40.一种井下工具，所述井下工具包括：
具有第一韧性的第一切割器，所述第一韧性从具有第二韧性的至少一个测试切割器确定，所述第一切割器包括具有接触面的衬底和具有第一表面和第二表面的切割台，所述第二表面在所述接触面处联接到所述衬底，
其中所述测试切割器的第二韧性使用计算机执行的方法确定，所述计算机执行的方法包括以下步骤：
由声数据收集引擎收集以当负荷施加到所述测试切割器上时从声传感器收集声数据，所述声传感器可通信地耦合到所述测试切割器；
由背景点确定引擎确定以确定一个或多个背景点；
由可能的声事件点确定引擎确定以确定一个或多个可能的声事件点；
由背景噪声函数曲线内插引擎内插以使用所述背景点内插背景噪声函数曲线；
由实际声事件点确定引擎确定以使用所述可能的声事件点和所述背景噪声函数曲线确定一个或多个实际声事件点；以及
由实际声事件面积计算引擎计算以计算在所述实际声事件点和所述背景噪声函数曲线之间包围的声事件面积，
其中所述第一切割器和所述至少一个测试切割器来自相同切割器类型。
41.根据权利要求40所述的井下工具，其中由背景点确定引擎确定和由可能的声事件点确定引擎确定同时被执行。
42.根据权利要求41所述的井下工具，其中当两个顺序数据点之间的差小于第一阈值时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于所述第一阈值时确定可能的声事件点。
43.根据权利要求41所述的井下工具，其中当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于第一阈值时确定可能的声事件点。
44.根据权利要求41所述的井下工具，其中当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值并且为负且已经连续地小于“z”次为负时或者当两个顺序数据点之间的差小于第二阈值并且为正且已经连续地小于“u”次为正时确定背景点，并且其中当两个顺序数据点之间的差大于第一阈值时确定可能的声事件点。
45.根据权利要求40所述的井下工具，其中当可能的声事件点和所述背景噪声函数曲线之间的差大于第三阈值时确定实际声事件点。
46.根据权利要求40所述的井下工具，其中通过将来自所述背景噪声函数曲线的实际声事件点的每一个的幅度乘以实际声事件点的每一个的相应持续时间计算每个声事件面积。
47.根据权利要求40所述的井下工具，其中所述方法还包括由累积面积和负荷曲线引擎生成以针对每个实际声事件点使用在所述实际声事件点和所述背景噪声函数曲线之间包围的累积面积生成累积面积和负荷曲线。
48.根据权利要求47所述的井下工具，其中通过使用相应实际声点的负荷和相应实际点的累积面积绘制每个实际声事件点生成所述累积面积和负荷曲线，其中所述累积面积包括在相应实际声点之下和在所有先前实际声点之下的总面积。
49.根据权利要求47所述的井下工具，其中用户使用所述累积面积和负荷曲线客观地确定所述测试切割器的第二韧性。
50.根据权利要求40所述的井下工具，其中所述方法还包括加压所述测试切割器。
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