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钻头效能评价手册
如今油田和矿山使用的硬质合金球齿的确是高质量的工程材料。每种牌号的球齿都具有其独特的适用于特定的设计和条件的效能。本手册争辩了一些常见的失败问题以及与之相关的材料特性。
本手册旨在给此领域工程师供应实践指导作用，他们可以利用低倍显微镜工作。考虑到这点，本手册特意删减了大部分高倍率或电子扫描**，而低倍**比较简洁用在此方面作对比。本手册争辩了七种型别的球齿失效方式，它们并不包括全部的失效方式，也没有述及多失效模式，既多种失效机制同时进行。
但是，认真鉴别和观看断口，或许可以发觉一种改进钻头效能的解决方法。本手册中七种失效方式分别是：
1.磨损
2.裂开
3.热冲击
4.圆锥面以下断裂
5.剪下损坏
6.表面裂纹产生及生长
7.剥落
型别1——磨损
由于在球齿上没有发生过量裂开，从球齿上观看的是全部的预期寿命，所以磨损被认为是以切削机理破坏。图1所示是典型的具有光滑表面的区域性磨损的球齿。
图2呈现了新的结果，平坦磨损。完全磨损球齿显现平坦的并且几乎与圆锥面齐平。
根部排列的球齿，不是平坦的磨损，而将是如图3所示经常在外缘剩下平坦的磨损齿背。
正常磨损是通过在被钻的岩石中硬矿物质穿透球齿中的软粘结相部分发生切削作用并带走了球齿中的一小块，在载入期间，球齿面对岩石的相对运动和接触面积越大，所观看到材料磨损就越大，同时在球齿表面可观看到相当深的刮痕或磨损标誌，如图4及图5所示。
如图6所示的重刮痕表面，可推想它是在不正常操作状况下钻头的过度滑动磨损而产生的。
假如球齿上存在较少或没有裂开，则钻头寿命取决于磨损，提高材料耐磨性是有好处的。
耐穿透性就是通常所说的“硬度”测定。这个效能是通过材料抵制标準载荷下金刚石压头压痕或穿透的力气。这种型别的通用测试是洛氏硬度测试，测试产生的资料称为洛氏a硬度。
这些资料与这方面材料的耐磨性亲热相关。
在硬质材料製造之前，必需认真观看以确信没有其它失败机理。除了平滑的、平坦磨损面外，表面破坏还可以显示出其它的破坏机理，如剥落、剪下这些紧随着磨损发生。较硬的碳化物的移动能严峻地恶化其它材料损坏机理，假如已经作用，将导致钻头效能显着降低。
型别2——缺陷裂开
缺陷裂开通常在钻头的早期寿命中呈现出来。也可以称作“早期破坏”。这种型别的损坏是由裂开引起的，该裂开由载荷迴圈在硬质合金中的缺陷处产生应力集中而引起的，由这种型别损坏产生的断口标誌是很特殊的，并简洁辨别。
由于这种损坏是由硬质合金内部缺陷引起的，裂纹源在合金内部而不是与球齿外部相连，断口表面将呈现如图8所示的几种截然不同的标誌型别。断口的光滑部分称作“镜子面”（图8中的标誌b），粗糙部分（图8中的标誌a）称作“锯齿”，引起损坏的缺陷（图8中的标誌c）总是“镜面”的中心区域。镜面，或者光滑平坦部分，仅有少量或没有枝状裂纹，由于在损坏的早期阶段，裂纹的扩充套件是很慢地，仅有足够能量在单一地方线性扩充套件。
锯齿型裂纹或从初始点扩充套件到的最远区域，它呈现一粗糙断口，具有明显散射状图形。分支和散射区域图形是裂纹以高速径向扩充套件的结果。
引起损坏的缺陷越大，断口的镜面部分也越大，如图9所示。缺陷损坏仅是呈现出这些损坏的特徵，并且仅是在球齿内部开头破坏的诸多型别中的一种。
由于没有材料能做得完善无缺，因此全部的球齿都有确定程度的缺陷。在通常条件下，这些缺陷小且数量少，不足以引起较大的问题。假如由于极端的工作环境或质量问题而产生缺陷使钻头寿命缩短，可採用以下几种补救措施。
首先假如它的确是质量问题，卖方代表应儘快地正确处理问题，然而假如损坏特殊是由特殊严酷的环境引起的，可通过材质和工艺选择来解决问题，可用较韧的材料（具有较高的临界应力强度引数k1c），或许牺牲一些耐磨性。材料韧性越好，裂开损坏的敏感性越低。为了削减缺陷的大小及其存在的数量，可给球齿施加一个烧结－热等静压烧结週期，它在一次操作中结综了热处理和热等静压操作，或者在烧结后处理即热等静压。
对低钴牌号，热等静压尤其重要。假如确定辨别是裂纹损坏，上面概述的解决方法之一就可解决问题。
型别3——热冲击
在全部型别的钻探中，包括油田、矿山、水井、风洞等，都曾观看到钻头的热冲击损坏。，在大约右角位置，它的唯一破坏机制是产生一种与众不同的双轴或由几条交叉近直角的裂纹，如图11所示。在一个球齿表面上能观看到从仅几条到数百条的裂纹。
热冲击破坏可通过钻头设计降到最小量，即削减钻探时球齿和岩石接触的时间。
这种损坏模式机理是在热的球齿表面快速冷却产生了平面应力。应力释放是通过在某一方向产生裂纹的方式实现的，最高残余应力与初始裂纹相垂直，因此，进一步释放应力仅能发生在初始裂纹的垂直方向。这种型别的热应力场的範围很短，并随裂纹向深处扩充套件而快速减弱，在表面下0.
01英寸到0.1英寸之间的深度上裂纹变得稳定，此时球齿的总稳定性是材料抵制这些裂纹进一步扩充套件的函式,或者称为材料的韧性，可定义为材料承受裂纹扩充套件的的力气。用作表明材料韧性特徵的效能是临界应力强度引数k1c。
热裂纹的视觉结果是在球齿表面形成一种半稳定的大量相互交叉的裂纹。合金表面发热是由合金滑过岩石产生摩擦引起的。水或其它流体的冷却使合金得到“淬火”。
因此被钻的岩层型别对热裂纹的机理上有很大影响。热裂可在某些区域存在一些而其它地方不存在。支撑角、钻头设计（偏移），尤其是钻探方法（ppm，钻头重量和底部清洁效率）等因素在热裂纹损坏中都可能是主要因素。
假如热裂连续扩充套件，将观看到如图13和14所示的碎裂特徵。严峻状况下热裂纹将导致整个球齿的损坏。
就材料本身而言，热裂经常可通过选用较低的热膨胀係数硬质合金而削减。热膨胀係数随着材料中钴含量的降低而降低。在转变球齿的钴含量前，其它引数必需转变以保证维持材料因素如硬度。
假如由于形成型别或其它因素，热裂不能全部消退，患病热裂部位的球齿可通过钻头设计加以调整，使球齿露出最小的区域。
型别4——表面下断裂
表面下断裂通常垂直于球齿轴向呈光滑、不显着的表面特徵。可以看到钻头中孔洞的裂纹位置从靠近球冠表面始终向内部延长到很深的位置，如图15所示。这类破坏是典型的由于钻的洞不圆，硬质合金球齿上有裂片，或在球齿柱体内有缺陷的结果。
假如硬质合金球齿与孔装配不适，则沿着球齿柱体的某一点“受挤压”能产生大的拉应力，这些应力是短距离的，由于一旦裂纹从“受压”区已经产生动，裂纹进一步扩充套件的驱动力很低。假如产生裂纹，它将以少量或没有分支缓慢地扩充套件，最终形成一光滑表面，如图16所示。在图16中，朝着裂纹端点消灭了一个稍微的凸起（凸处），这是由球齿顶部被拔出洞时弯曲引起的。
假如断裂初始位置发生在洞内很深的位置，裂纹可朝上传播，导致球齿顶部直接裂开。这种型别的损坏在断口表面将产生一朝下的尖点，如图17所示（从球齿较低的位置朝上传播形成裂纹分支）。图18示出了朝尖点型裂开裂纹路径。
在表面下产生裂纹，球齿柱体随着裂纹平行于球齿轴向运动，将裂成两块或更多大块。回顾从裂纹源到向下的尖点过程，可看到一个垂直于球齿轴向的拐点，这个拐点的另一端无疑是裂纹源。在一些状况下，裂纹的初始处或“受压”点能通过认真的外表检查确定。
通过下列条件保障能解决这些问题：
1）.硬质合金球齿研磨不产生凸起或不圆的条件或研磨裂纹。
2）.镶嵌孔是圆的并没有斜度，
3）.洞底部给球齿适当的垫片，使不产生冲击。
型别5——剪下损坏
在这里经常观看不到剪下损坏。假如这种损坏发生，结果将使钻头寿命很短。产生的断口表面很乱，缺乏明显的特徵。
断口通常与球齿轴线方向成一角度，球齿的球冠两边角部位对这种损坏方式格外敏感。图19所示为剪下损坏一例，并且图示了裂纹起始点。假如断面在损坏后短时内观看到，它将呈现有光泽的外貌。
为了确定剪下损坏，必需做到认真观看断口表面，由于从正常剪下部位脱离下来的小块会呈现拉伸损坏的模式，这是由于插入作用，如图20所示，图21为解释示意图。
假如估量是剪下损坏，则钻头的同一排任何相对未损坏的嵌块横截面会在抛光的表面上产生次表面上的空洞 ，如图22所示。这经常在高载荷区域观看到，例如横刃嵌块拐角。次表面上空洞的形成是超过球齿承受极限的压应力与剪下应力的重複作用的结果。
当用一较低硬度的硬质合金体在高载荷条件下凿一很硬的岩石时，就有可能产生剪下损坏。当嵌块是非圆形时尤其如此。
矫正方法有：
1）.换一更圆的圆顶型合金；
2）.在钻凿时（钻头设计）时用一较轻载荷条件，或者
3）. 改用一较高硬度的硬质合金。
假如改用较高硬度的硬质合金，必需留意的是要确保损坏模式确认无疑，否则，较高硬度的硬质合金可能导致相反的结果。正确分析状况下用较硬材料将导致钻头寿命提高。
型别6——表面裂纹的产生和生长
钻头损坏机率最大的是由于表面裂纹。它可被认为是一“常规”损坏模式。在很多状况下，损坏的真正起始区可以在断口组织的痕迹里观看到。
初始裂纹产生在最高的压强载荷和快速岩石裂开区域。这些裂纹的形成是由于几种特殊机理，例如钻头设计特徵、钻凿形式，随嵌块位置而定。在某排中全部嵌块产生裂纹的缘由相像。
通过测试几个嵌块损坏的不同时期，常能确定向下裂开过程的本质。
如图23所示，当形成时小的表面裂纹时，能通过间歇的高载荷或如疲惫损坏的其它机理增长到临界尺寸，这种断续的裂纹增长可通过断口表面看到的裂纹阻挡线辨别，这些阻挡线在远离裂纹源上弯曲，并且在方向上或裂纹扩充套件原始状态呈现明显的转变。在嵌块上看到的阻挡线的数量可以从很少到很多，如图24所示。。
由弹性波产生的裂纹是很难辨别的，没有巨大的特徵变化和从弹性波线一边扩充套件到另一边产生大的方向变化。
一旦临界裂纹尺寸达到了一特定载荷和应力状态，嵌块将患病严峻破坏。由于扩充套件裂纹从嵌块的上面朝下进展，它能旋转朝着球齿圆顶的一边使球齿一部分崩裂，如图26所示。比较典型的，它在向下扩充套件时遇到球齿压入基座中产生的压力。
由于裂纹不行能在压应力区扩充套件，所以它必需转向，并沿着图27所示的路径平行于锥壳表面进行扩充套件，这样，球齿的大部分就可能脱落，如图28所示，为凿巖结果残留的断口。无论如何，断口在靠近相交的断口表面呈现一向上的尖点。这种损坏的典型例项如图29和30所示。
在大部分裂开的球齿中，假如不存在这种交叉线，就应怀疑存在其它的损坏机理。
由于表面裂纹源引起球齿损坏，通常可通过提高材料的韧性（高的k1c）来转变，此时微小裂纹是稳定的，几乎不行能扩充套件。裂纹起始机理，应考虑用较高韧性材料，尤其是在热裂或剪下损坏较为严峻的状况下。
型别7——剥落
剥落是以各种不同尺寸的薄片或碎屑从球齿表面连续掉下。甚至是球齿没有严峻损坏的状况下完全由快速地剥落而使钻头的寿命出其不意地缩短（图32）。

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