推荐采用多次冲击试验，研究石油钻井钻头材料服役性能的理由

从兰州石油机械研究所提供的资料^[1]看来，三牙轮钻头，其轴头的接触疲劳破损以及牙齿的频繁打击是导致失效的两个主要问题。对于前者，由于时间和条件所限，我们暂且没有进行试验研究工作。而后者——牙轮牙齿的频繁打击，实际上正是小能量多次重复冲击问题。

按照旧有的概念，像石油钻头这种承受冲击载荷的机件，都要求材料a_K高，δ、ψ高（如表1中的苏联指标就规定掌子的a_K≥10kgf·m/cm²，ψ≥55%）。我们认为，用a_K、ψ作为衡量材料承受冲击抗力的指标是不合理的。因为，它不符合机件的实际服役条件。很显然，如像石油钻头的牙轮齿等，肯定不会受到一次摆锤试验所给予的巨大的冲击能量，使其产生大量变形而毁坏！而且，绝大多数零件在工作时是不允许有塑性变形的。因此，这个用消耗于试样缺口附近不均匀变形功和撕裂功之和除以面积的a_K值，既无明显的物理意义，又不能确切地表示材料的抗冲击性能。在生产实践中，许多生动的例子有力地支持了这种看法。例如，6000hp的柴油机曲轴可用a_K几乎为零的孕育铸铁；沈阳风动工具厂用a_K只有2～3kgf·m/cm²的淬火低温回火工具钢У8、У10代替过去一向采用的价值高昂的12Х2Н4、12ХН2，制造承受剧烈冲击负荷的凿岩机活塞，使用寿命反而增长一倍以上^[2]。

一次冲击与多次冲击的损坏机理不同。多次冲击是损伤的积累过程，一次冲击则无损伤的积累，二者没有直接联系。根据周惠久、黄明志老师的研究结果，决定材料抵抗两种冲击负荷的主导因素不同：一次大能量冲击是在一定强度要求下，主要取决于塑性；多次重复冲击则是以强度为主导因素，并根据能量的不同，相应地要求一定的塑性^[2]。

正由于石油钻头的实际服役条件与多次冲击试验相当近似，并且基于上面一些观点，我们认为，制订石油钻头材料的力学性能指标时，应把小能量多次冲击试验结果作为一个重要的依据。表1所示的苏联指标，虽然有连续冲击一项，但又片面地追求a_K、ψ，这是没有必要的；而要求过高的a_K、ψ势必会影响其承受小能量多次冲击负荷的能力，使材料的潜力不能充分发挥出来。这是我们要避免的。

从多次冲击的观点出发，选择石油钻头材料和其他一些承受小能量多次冲击负荷的机件的材料及其热处理工艺，是一个极为重要的问题。因为，它确切地反映了材料的综合力学性能。采用强度极限高、塑性指标适当的钢料，或者用低中温回火得到高强度和适当的塑性，提高多次冲击抗力，能够大大增长使用寿命。(www.xing528.com)

表1 苏联钻头材料20XH3A技术要求和性能指标

①指苏联KNY-2型试验机，能量为30kgf·cm。试样为梅氏试样。

②两圆盘，一为标准件，一为试样，其D=40mm，d=16.2mm，厚10mm。两圆盘转速相差10%，即有10%滑动摩擦。转动时，同时喷含砂泥浆（含砂3%，密度1.2～1.75g/cm³）。压力为100kg，转30000次后測其磨耗失量。