CN105547998A - 一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法 - Google Patents

一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法 Download PDF

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宋娟
赵云峰
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Abstract

一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，该方法基于三点弯曲加载过程中渗硼层的损伤裂纹密度的变化，通过在不同的渗硼层/铸铁基体球座试样上施加一系列弯曲压缩载荷，测量不同弯曲压缩载荷下试样的渗硼层的损伤裂纹密度，建立三点弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到渗硼层从球墨铸铁基体脱落的临界弯曲压缩载荷，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。该方法操作简单、并且不受设备限制，可以明显降低测试成本，节约花费，便于对油气开采中水平井多级滑套分段压裂工艺中涉及到的井下滑套、井下球座等井下工具渗层界面结合强度进行评价。

Description

一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法
技术领域
本发明属于油气开采工程应用领域，涉及水平井多级滑套压裂工艺中的井下球座，具体涉及一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法。
背景技术
油气储层改造技术中常用到的水平井多级滑套压裂工艺中，球座渗层质量对压裂工艺效果有直接的关系。工程实际中，渗层/基体材料典型的失效模式为渗层在基体上的剥落，其原因是渗层与基体的界面开裂。渗层材料的寿命决定整个构件的寿命，因此，渗层/基体服役性能依赖于二者之间界面结合强度。在相同的外界载荷下，界面结合强度越高、韧性越好，抵抗界面裂纹产生和扩展的能力越强，延迟渗层从基体上剥落，最终延长工件的服役寿命。因此，表征渗层/基体材料界面结合强度显得十分重要。
目前，对于硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座，由于渗硼层的弹性模量远大于球墨铸铁基体，属于脆性/韧性材料体系。其界面结合力，主要从基于应力的角度，即渗层从基体上剥落时单位面积所需要的力(结合强度)进行表征评价，包括界面拉伸强度、剪切强度。不论是采用拉伸法、剪切法或弯曲法，理想地测量出渗层/基体材料界面结合强度，应至少满足两个条件：一是要有合理的反映渗层从基体剥离时的良好力学模型；二是要能够准确地测量出有关反映界面结合性能的力学参量。如弯曲法，在测量Al2O3陶瓷涂层/铝合金基体界面结合强度时，采用悬臂梁模型+声发射仪器。可见，测量准确性受限于建立的模型适用性、仪器设备的精度，过程复杂、操作难度大，尤其是对于工程中大量使用的结构工件更是突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，该方法操作简单，便于对油气开采中水平井滑套分段压裂工艺中滑套、球座等井下工具渗层界面结合强度进行评价。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，该方法基于三点弯曲加载过程中渗硼层的损伤裂纹密度的变化，通过在不同的渗硼层/铸铁基体球座试样上施加一系列弯曲压缩载荷，测量不同弯曲压缩载荷下试样的渗硼层的损伤裂纹密度，建立三点弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到渗硼层从球墨铸铁基体脱落的临界弯曲压缩载荷，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。
该方法具体包括以下步骤：
1)截取渗硼层/铸铁基体球座样品，并将其加工成一系列的三点弯曲加载试样；
2)在三点弯曲试验机上分别对一系列的三点弯曲加载试样施加不同的弯曲压缩载荷；
3)对完成弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的渗硼层内表面进行显微观察；
4)统计不同弯曲压缩载荷下三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度；
5)拟合数据并绘制出弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，建立出弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的定量关系，弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线的拐点即为三点弯曲加载试样所能承受的临界弯曲压缩载荷，该临界弯曲压缩载荷即表征渗硼层/铸铁基体球座界面的临界界面结合强度；
6)用临界界面结合强度评价实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度，若实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷小于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度良好，能够在该工况下正常服役；若实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷大于等于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度差，不能在该工况下正常服役。
该方法的适用对象为硬化渗硼层/球墨铸铁基体材料体系。
所述步骤2)进行前先将三点弯曲加载试样的渗硼层表面清洗干净。
所述步骤2)中在三点弯曲试验机上对三点弯曲加载试样施加弯曲压缩载荷时，三点弯曲加载试样的加载方式为内表面的渗硼层向下、铸铁基体向上。
所述步骤2)中进行弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的数量大于等于3个。
所述步骤4)中三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度为该试样在三点弯曲试验机的压缩头下方位置处单位面积内的裂纹数量。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明针对渗硼层/铸铁基体材料体系，由于渗硼层的弹性模量远大于球墨铸铁，因此，渗硼层/铸铁基体属于脆性/韧性材料体系。本发明提供了一种操作简单、测量准确的针对脆性/韧性材料体系界面结合力的表征评价方法，即基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，便于油气开采中水平井多级滑套分段压裂工艺中涉及到的井下滑套、井下球座等井下工具渗层界面结合强度的评价。本发明基于三点弯曲加载过程中渗硼层的损伤裂纹密度的变化，通过在不同的渗硼层/铸铁基体球座试样上施加一系列弯曲压缩载荷，测量不同弯曲压缩载荷下试样的渗硼层的损伤裂纹密度，建立三点弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到渗硼层从球墨铸铁基体脱落的临界弯曲压缩载荷，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。应用本发明的方法可以方便、准确地定量测量渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度，评价渗硼层/铸铁基体之间界面的结合质量。本发明从损伤微观组织角度入手，通过观察弯曲压缩载荷下渗硼层表面的显微组织变化，统计萌生的微裂纹密度来表征渗硼层/铸铁基体界面结合力，相比于现有技术中使用的拉伸法、弯曲法等方法，本发明操作方法简单，并且不受设备限制，可以明显降低测试成本，节约花费。而且本发明采用一系列试样建立弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度关系曲线，从而确定渗硼层/铸铁基体球座界面的临界界面结合强度，能够提高测试结果的精确性，使其更加逼近真实数值。
附图说明
图1为不同弯曲压缩载荷下渗层表面的裂纹形貌，其中a～d的弯曲压缩载荷分别为58KN、45KN、40KN、35KN；
图2为渗硼层/球墨铸铁基体球座弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供了一种操作简单、测量准确的针对脆性/韧性材料体系界面结合力的表征评价方法，以硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座为例，便于油气开采中水平井滑套分段压裂工艺中滑套、球座等井下工具渗层界面结合强度的评价。
对于渗硼层/球墨铸铁基体，由于硬化渗硼层弹性模量远大于基体球墨铸铁，属于脆性涂层/韧性基体体系。服役过程中，载荷作用使得脆性硬化渗硼层/球墨基体之间出现应变失配。脆性的硬化渗硼层本身开裂，裂纹贯穿到界面，随后渗层与韧性球墨铸铁基体的界面开裂，界面裂纹扩展到一定程度导致硬化渗硼层从基体上剥落。渗层的剥落意味着球座内表面硬化作用失效。因此，渗硼层表面的裂纹密度反映出渗硼层/基体界面的损伤程度。
通过三点弯曲载荷试样，施加一系列弯曲压缩载荷，统计渗硼层表面损伤裂纹密度的变化，建立弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到临界弯曲压缩载荷下的临界裂纹密度，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的临界界面结合强度，最终评价渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。
应用本发明提供的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，可以方便、准确地定量测量硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座界面的结合强度，评价渗硼层/铸铁基体之间界面的结合质量。
下面给出本发明的一个具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
针对QT43型球墨铸铁，内表面有硬化渗硼层，其渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法的具体步骤如下：
1)截取样品，将其加工成一系列的三点弯曲加载试样，将三点弯曲加载试样的硬化渗硼层表面清洗干净，便于显微组织观察；
2)加工的三点弯曲加载试样的加载方式为内表面硬化渗硼层向下，球墨铸铁基体向上，在三点弯曲试验机上对4个三点弯曲加载试样分别施加35KN、40KN、45KN、58KN弯曲压缩载荷；
3)对完成弯曲载荷加载的试样的硬化渗硼层内表面进行显微观察，随着弯曲压缩载荷的增加，硬化渗硼层损伤的程度明显不同。
如图1所示，35KN弯曲压缩载荷下，硬化渗硼层表面光滑完好；40KN弯曲压缩载荷下，硬化渗硼层表面出现少量微裂纹；45KN弯曲压缩载荷下，硬化渗硼层表面的微裂纹明显增多，局部出现渗层脱落；58KN弯曲压缩载荷下，硬化渗硼层表面的微裂纹与剥落急剧增加，并且硬化渗硼层/球墨铸铁基体试样断裂，表明施加的弯曲压缩载荷不仅使界面开裂，而且超过了基体材料的承载极限。
4)统计不同弯曲压缩载荷下三点弯曲加载试样硬化渗硼层表面的损伤裂纹密度，即三点弯曲试验机的压缩头下方位置单位面积裂纹的数量，其损伤裂纹密度分别为0.25/mm2、0.40/mm2、0.875/mm2、2.10/mm2；
5)绘制弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度关系曲线，建立弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的定量关系，拟合曲线，如图2所示，可见，在35～40KN弯曲压缩载荷范围，曲线出现明显的拐点，该拐点对应的弯曲压缩载荷为三点弯曲加载试样所能承受的临界弯曲压缩载荷，该临界弯曲压缩载荷即表征硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座界面的临界界面结合强度；
6)用临界界面结合强度评价实际工况下的硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座界面结合强度，若实际工况下的硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷小于35～40KN，则该工况下硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座界面结合强度良好，能够在该工况下正常服役；若实际工况下的硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷大于等于35～40KN，则该工况下硬化渗硼层/球墨铸铁基体球座界面结合强度差，不能在该工况下正常服役。
本发明从损伤微观组织角度入手，通过观察弯曲压缩载荷下渗硼层表面的显微组织变化，统计萌生的微裂纹密度来表征渗硼层/铸铁基体界面结合力，相比于现有技术使用的拉伸法、弯曲法，操作方法简单，并且不受设备限制。本发明采用一系列试样(至少3个样品)，建立弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度关系，确定临界界面结合强度，提高测试结果精确性，更加逼近真实数值。并且本发明可以明显降低测试成本，节约花费。

Claims (7)

1.一种基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，该方法基于三点弯曲加载过程中渗硼层的损伤裂纹密度的变化，通过在不同的渗硼层/铸铁基体球座试样上施加一系列弯曲压缩载荷，测量不同弯曲压缩载荷下试样的渗硼层的损伤裂纹密度，建立三点弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，得到渗硼层从球墨铸铁基体脱落的临界弯曲压缩载荷，表征渗硼层/铸铁基体球座界面的结合强度。
2.根据权利要求1所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
1)截取渗硼层/铸铁基体球座样品，并将其加工成一系列的三点弯曲加载试样；
2)在三点弯曲试验机上分别对一系列的三点弯曲加载试样施加不同的弯曲压缩载荷；
3)对完成弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的渗硼层内表面进行显微观察；
4)统计不同弯曲压缩载荷下三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度；
5)拟合数据并绘制出弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线，建立出弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的定量关系，弯曲压缩载荷-损伤裂纹密度的关系曲线的拐点即为三点弯曲加载试样所能承受的临界弯曲压缩载荷，该临界弯曲压缩载荷即表征渗硼层/铸铁基体球座界面的临界界面结合强度；
6)用临界界面结合强度评价实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度，若实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷小于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度良好，能够在该工况下正常服役；若实际工况下的渗硼层/铸铁基体球座承受的弯曲压缩载荷大于等于临界弯曲压缩载荷，则该工况下渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度差，不能在该工况下正常服役。
3.根据权利要求1或2所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，该方法的适用对象为硬化渗硼层/球墨铸铁基体材料体系。
4.根据权利要求2所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，所述步骤2)进行前先将三点弯曲加载试样的渗硼层表面清洗干净。
5.根据权利要求2所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，所述步骤2)中在三点弯曲试验机上对三点弯曲加载试样施加弯曲压缩载荷时，三点弯曲加载试样的加载方式为内表面的渗硼层向下、铸铁基体向上。
6.根据权利要求2所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，所述步骤2)中进行弯曲压缩载荷加载的三点弯曲加载试样的数量大于等于3个。
7.根据权利要求2所述的基于裂纹密度的渗硼层/铸铁基体球座界面结合强度的表征评价方法，其特征在于，所述步骤4)中三点弯曲加载试样渗硼层内表面的损伤裂纹密度为该试样在三点弯曲试验机的压缩头下方位置处单位面积内的裂纹数量。
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