一種基于裂紋密度的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度的表征評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣開采工程應(yīng)用領(lǐng)域，涉及水平井多級(jí)滑套壓裂工藝中的井下球座，具體涉及一種基于裂紋密度的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度的表征評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]油氣儲(chǔ)層改造技術(shù)中常用到的水平井多級(jí)滑套壓裂工藝中，球座滲層質(zhì)量對(duì)壓裂工藝效果有直接的關(guān)系。工程實(shí)際中，滲層/基體材料典型的失效模式為滲層在基體上的剝落，其原因是滲層與基體的界面開裂。滲層材料的壽命決定整個(gè)構(gòu)件的壽命，因此，滲層/基體服役性能依賴于二者之間界面結(jié)合強(qiáng)度。在相同的外界載荷下，界面結(jié)合強(qiáng)度越高、韌性越好，抵抗界面裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能力越強(qiáng)，延遲滲層從基體上剝落，最終延長(zhǎng)工件的服役壽命。因此，表征滲層/基體材料界面結(jié)合強(qiáng)度顯得十分重要。
[0003]目前，對(duì)于硬化滲硼層/球墨鑄鐵基體球座，由于滲硼層的彈性模量遠(yuǎn)大于球墨鑄鐵基體，屬于脆性/韌性材料體系。其界面結(jié)合力，主要從基于應(yīng)力的角度，即滲層從基體上剝落時(shí)單位面積所需要的力(結(jié)合強(qiáng)度)進(jìn)行表征評(píng)價(jià)，包括界面拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。不論是采用拉伸法、剪切法或彎曲法，理想地測(cè)量出滲層/基體材料界面結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)至少滿足兩個(gè)條件:一是要有合理的反映滲層從基體剝離時(shí)的良好力學(xué)模型；二是要能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出有關(guān)反映界面結(jié)合性能的力學(xué)參量。如彎曲法，在測(cè)量Al2O3陶瓷涂層/鋁合金基體界面結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，采用懸臂梁模型+聲發(fā)射儀器?？梢姡瑴y(cè)量準(zhǔn)確性受限于建立的模型適用性、儀器設(shè)備的精度，過程復(fù)雜、操作難度大，尤其是對(duì)于工程中大量使用的結(jié)構(gòu)工件更是突出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于裂紋密度的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度的表征評(píng)價(jià)方法，該方法操作簡(jiǎn)單，便于對(duì)油氣開采中水平井滑套分段壓裂工藝中滑套、球座等井下工具滲層界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種基于裂紋密度的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度的表征評(píng)價(jià)方法，該方法基于三點(diǎn)彎曲加載過程中滲硼層的損傷裂紋密度的變化，通過在不同的滲硼層/鑄鐵基體球座試樣上施加一系列彎曲壓縮載荷，測(cè)量不同彎曲壓縮載荷下試樣的滲硼層的損傷裂紋密度，建立三點(diǎn)彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)系曲線，得到滲硼層從球墨鑄鐵基體脫落的臨界彎曲壓縮載荷，表征滲硼層/鑄鐵基體球座界面的結(jié)合強(qiáng)度。
[0007]該方法具體包括以下步驟:
[0008]I)截取滲硼層/鑄鐵基體球座樣品，并將其加工成一系列的三點(diǎn)彎曲加載試樣；
[0009]2)在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)一系列的三點(diǎn)彎曲加載試樣施加不同的彎曲壓縮載荷；
[0010]3)對(duì)完成彎曲壓縮載荷加載的三點(diǎn)彎曲加載試樣的滲硼層內(nèi)表面進(jìn)行顯微觀察；
[0011]4)統(tǒng)計(jì)不同彎曲壓縮載荷下三點(diǎn)彎曲加載試樣滲硼層內(nèi)表面的損傷裂紋密度；
[0012]5)擬合數(shù)據(jù)并繪制出彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)系曲線，建立出彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的定量關(guān)系，彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)系曲線的拐點(diǎn)即為三點(diǎn)彎曲加載試樣所能承受的臨界彎曲壓縮載荷，該臨界彎曲壓縮載荷即表征滲硼層/鑄鐵基體球座界面的臨界界面結(jié)合強(qiáng)度；
[0013]6)用臨界界面結(jié)合強(qiáng)度評(píng)價(jià)實(shí)際工況下的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度，若實(shí)際工況下的滲硼層/鑄鐵基體球座承受的彎曲壓縮載荷小于臨界彎曲壓縮載荷，則該工況下滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度良好，能夠在該工況下正常服役;若實(shí)際工況下的滲硼層/鑄鐵基體球座承受的彎曲壓縮載荷大于等于臨界彎曲壓縮載荷，則該工況下滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度差，不能在該工況下正常服役。
[0014]該方法的適用對(duì)象為硬化滲硼層/球墨鑄鐵基體材料體系。
[0015]所述步驟2)進(jìn)行前先將三點(diǎn)彎曲加載試樣的滲硼層表面清洗干凈。
[0016]所述步驟2)中在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)上對(duì)三點(diǎn)彎曲加載試樣施加彎曲壓縮載荷時(shí)，三點(diǎn)彎曲加載試樣的加載方式為內(nèi)表面的滲硼層向下、鑄鐵基體向上。
[0017]所述步驟2)中進(jìn)行彎曲壓縮載荷加載的三點(diǎn)彎曲加載試樣的數(shù)量大于等于3個(gè)。
[0018]所述步驟4)中三點(diǎn)彎曲加載試樣滲硼層內(nèi)表面的損傷裂紋密度為該試樣在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)的壓縮頭下方位置處單位面積內(nèi)的裂紋數(shù)量。
[0019 ]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明針對(duì)滲硼層/鑄鐵基體材料體系，由于滲硼層的彈性模量遠(yuǎn)大于球墨鑄鐵，因此，滲硼層/鑄鐵基體屬于脆性/韌性材料體系。本發(fā)明提供了一種操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確的針對(duì)脆性/韌性材料體系界面結(jié)合力的表征評(píng)價(jià)方法，即基于裂紋密度的滲硼層/鑄鐵基體球座界面結(jié)合強(qiáng)度的表征評(píng)價(jià)方法，便于油氣開采中水平井多級(jí)滑套分段壓裂工藝中涉及到的井下滑套、井下球座等井下工具滲層界面結(jié)合強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。本發(fā)明基于三點(diǎn)彎曲加載過程中滲硼層的損傷裂紋密度的變化，通過在不同的滲硼層/鑄鐵基體球座試樣上施加一系列彎曲壓縮載荷，測(cè)量不同彎曲壓縮載荷下試樣的滲硼層的損傷裂紋密度，建立三點(diǎn)彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)系曲線，得到滲硼層從球墨鑄鐵基體脫落的臨界彎曲壓縮載荷，表征滲硼層/鑄鐵基體球座界面的結(jié)合強(qiáng)度。應(yīng)用本發(fā)明的方法可以方便、準(zhǔn)確地定量測(cè)量滲硼層/鑄鐵基體球座界面的結(jié)合強(qiáng)度，評(píng)價(jià)滲硼層/鑄鐵基體之間界面的結(jié)合質(zhì)量。本發(fā)明從損傷微觀組織角度入手，通過觀察彎曲壓縮載荷下滲硼層表面的顯微組織變化，統(tǒng)計(jì)萌生的微裂紋密度來表征滲硼層/鑄鐵基體界面結(jié)合力，相比于現(xiàn)有技術(shù)中使用的拉伸法、彎曲法等方法，本發(fā)明操作方法簡(jiǎn)單，并且不受設(shè)備限制，可以明顯降低測(cè)試成本，節(jié)約花費(fèi)。而且本發(fā)明采用一系列試樣建立彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度關(guān)系曲線，從而確定滲硼層/鑄鐵基體球座界面的臨界界面結(jié)合強(qiáng)度，能夠提高測(cè)試結(jié)果的精確性，使其更加逼近真實(shí)數(shù)值。
【附圖說明】
[0021]圖1為不同彎曲壓縮載荷下滲層表面的裂紋形貌，其中a?d的彎曲壓縮載荷分別*58KN、45KN、40KN、35KN;
[0022]圖2為滲硼層/球墨鑄鐵基體球座彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明提供了一種操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確的針對(duì)脆性/韌性材料體系界面結(jié)合力的表征評(píng)價(jià)方法，以硬化滲硼層/球墨鑄鐵基體球座為例，便于油氣開采中水平井滑套分段壓裂工藝中滑套、球座等井下工具滲層界面結(jié)合強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。
[0025]對(duì)于滲硼層/球墨鑄鐵基體，由于硬化滲硼層彈性模量遠(yuǎn)大于基體球墨鑄鐵，屬于脆性涂層/韌性基體體系。服役過程中，載荷作用使得脆性硬化滲硼層/球墨基體之間出現(xiàn)應(yīng)變失配。脆性的硬化滲硼層本身開裂，裂紋貫穿到界面，隨后滲層與韌性球墨鑄鐵基體的界面開裂，界面裂紋擴(kuò)展到一定程度導(dǎo)致硬化滲硼層從基體上剝落。滲層的剝落意味著球座內(nèi)表面硬化作用失效。因此，滲硼層表面的裂紋密度反映出滲硼層/基體界面的損傷程度。
[0026]通過三點(diǎn)彎曲載荷試樣，施加一系列彎曲壓縮載荷，統(tǒng)計(jì)滲硼層表面損傷裂紋密度的變化，建立彎曲壓縮載荷-損傷裂紋密度的關(guān)