贝克休斯包括异常强化材料的井下工具以及相关方法
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.11.12
C N 104145073
A (21)申请号 201280066307.0
(22)申请日 2012.11.07
13/295,670 2011.11.14 US
E21B 10/46(2006.01)E21B 43/11(2006.01)C22C 19/00(2006.01)(71)申请人贝克休斯公司
地址美国得克萨斯
(72)发明人R·迪弗吉奥
(74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专
利商标事务所 11038
代理人
秦振(54)发明名称
包括异常强化材料的井下工具以及相关方法
(57)摘要
用在地下地层井孔中的井下工具，包括：本
体，所述本体包括至少一种异常强化材料。形成用
在地下地层井孔中的井下工具的方法，包括：形
成包括至少一种异常强化材料的本体。在地下地
层井孔中使用井下工具的方法，包括将包括至少
一种异常强化材料的本体布置在地下地层中。可
以使所述至少一种异常强化材料在井孔内暴露于
比地下地层表面处的温度更高的温度并所述至少
一种异常强化材料的屈服强度可以增加。
(30)优先权数据
(85)PCT国际申请进入国家阶段日
2014.07.08
(86)PCT国际申请的申请数据
PCT/US2012/063850 2012.11.07
(87)PCT国际申请的公布数据
WO2013/074346 EN 2013.05.23
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书11页 附图7页
按照条约第19条修改的权利要求书1页
按照条约第19条修改的声明或说明1页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书2页 说明书11页 附图7页按照条约第19条修改的权利要求书1页按照条约第19条修改的声明或说明1页(10)申请公布号CN 104145073 A
1.一种用在地下地层中的井孔中的井下工具，包括：本体，所述本体包括至少一种异常强化材料。
2.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
3.根据权利要求2所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料在从大约100℃到大约350℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
4.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料包括由至少两种不同元素构成的合金，所述至少两种不同元素中的至少一种元素的天然晶体结构不同于所述至少两种不同元素中的至少另一种元素的天然晶体结构。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的井下工具，其中，所述本体还包括温度弱化材料。
6.根据权利要求5所述的井下工具，其中，所述本体的屈服强度在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的变化至少基本是恒定的。
7.根据权利要求5所述的井下工具，所述本体包括复合材料，该复合材料包括基体相和非连续相，所述基体相包括异常强化材料，所述非连续相包括散布在所述基体相内的温度弱化材料。
8.根据权利要求1-4中任一项的权利要求1所述的井下工具，其中，所述至少一种异常
强化材料包括选自由Ni
3Al、Ni
3
V、Ni
3
Ga、Ni
3
Si、Ni
3
Ge、Fe
3
Al、FeAl、Fe
3
Ga、Fe
3
V、FeCo、Fe
3
Be、
β-CuZn、Cu
3Au、Co
3
Ti、Co
3
V、Pt
3
Ti、Ag
2
MgZn、TiAl、Mg
3
Cd、Mn
3
Sn和难熔金属二硅化物构成
的组中的至少一种材料。
9.根据权利要求1-4中任一项的权利要求1所述的井下工具，其中，所述本体包括中空圆柱形套筒。
10.一种形成用在地下地层中的井孔中的井下工具的方法，包括：形成包括至少一种异常强化材料的本体。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料，以在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料，以在从大约100℃到大约350℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，还包括形成所述本体以包括温度弱化材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述本体以包括温度弱化材料的步骤包括配置所述本体以在所述至少一些温度下呈现出基本恒定的屈服强度。
15.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料以包括合金，所述合金包括至少两种不同的元素，所述至少两种不同元素中的至少一种元素的天然晶体结构不同于所述至少两种不同元素中的至少另一种元素的天然晶体结构。
16.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材
料以包括Ni
3Al、Ni
3
V、Ni
3
Ga、Ni
3
Si、Ni
3
Ge、Fe
3
Al、FeAl、Fe
3
Ga、Fe
3
V、FeCo、Fe
3
Be、β-CuZn、
Cu
3Au、Co
3
Ti、Co
3
V、Pt
3
Ti、Ag
2
MgZn、TiAl、Mg
3
Cd、Mn
3
Sn和难熔金属二硅化物中的一种或多
种。
包括异常强化材料的井下工具以及相关方法
[0001] 优先权
[0002] 本申请要求于2011年11月14日申请的名称为“DOWNHOLE TOOLS INCLUDING ANOMALOUS STRENGTHENING MATERIALS AND RELATED METHODS.”的美国专利申请序列号13/295,670的申请日的优先权。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及用在地层和地下地层井孔的开采中的井下工具。更具体地，所披露的实施方式涉及至少部分地由至少一种异常强化材料构成的井下工具。
背景技术
[0004] 一般地，用在地下地层的井眼(例如井孔)地层中的井下工具会承受升高的温度和压力。例如，用在水、石油和天然气井孔地层中的井下工具承受经常超过100℃的温度。用在地热井孔中的井下工具可以承受达到350℃和更高的温度。材料的强度一般会随着温度的升高而降低。因此，井下工具可能会遭到破坏并且甚至可能会出现灾难性故障，这至少部分地是由于井下工具的材料随着温度的升高而弱化造成的。
[0005] 这种温度引起的井下环境中的材料的弱化可能需要使用难于制造和操纵的高成本材料来确保包括该材料的井下工具保持足够的强度，以甚至在承受使该材料弱化的高温和高压时操作。此外，温度引起的材料弱化需要井下工具操作人员减小施加在该井下工具上的功率来延长其寿命(即降低井下工具的额定值)。例如，操作人员可以减小钻压(WOB)、钻柱上的扭矩、钻地钻头的转速或者这些的任意结合，因为更大的深度使钻地钻头和钻柱元件承受越来越增加的温度和压力。在钻探之后使用下送到井中的测井电缆上的钢丝绳起下的工具来确定井中地层的特性。这种测井电缆工具可以包括含有传感器以及它们的电子设备的中空管状压力壳体。随着温度的升高，减小这些工具的最高压力等级以避免压力壳体可能坍塌以及相应的灾难性工具故障。虽然井下工具中包括温度引起弱化的材料，但是井下工具的任何前述的降低定额值可以延长井下工具的使用寿命，然而还可以减小井下工具实施它们任务的速率(例如减小钻地钻头的穿透速率)，造成井下工具非正常运行，或者减小工具可以操作的最大压力。
发明内容
[0006] 在一些实施方式中，用在地下地层的井孔中的井下工具包括本体，所述本体包括至少一种异常强化材料。所述至少一种异常强化材料在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高可以可选地呈现出增加的屈服强度。
[0007] 在其他实施方式中，形成用在地下地层的井孔中的井下工具的方法包括构成包括至少一种异常强化材料的本体。
[0008] 在其他实施方式中，在地下地层的井孔中使用井下工具的方法包括将包括至少一种异常强化材料的本体布置在地下地层的井孔中。所述至少一种异常强化材料可以在井孔
内承受的温度高于地下地层表面处的温度并且可以增加所述至少一种异常强化材料的屈服强度。
附图说明
[0009] 虽然本说明书是利用特别指出并明确声明本发明实施方式的权利要求总结的，但是当结合附图阅读如下的描述时可以从中更容易地确定所披露的实施方式的各种特征和优点，其中：
[0010] 图1是用在地下地层井孔中的井下工具的横截面视图；
[0011] 图2是包括异常强化材料和温度弱化材料的复合材料的示意性横截面视图；[0012] 图2A是复合材料的另一个实施方式的示意性横截面视图；
[0013] 图3是图1的井下工具的一部分的放大横截面视图；
[0014] 图4是用在地下地层井孔中的井下工具的另一个实施方式的分解透视图；[0015] 图5是组装好的图4的井下工具的一部分的横截面视图；
[0016] 图6是用在地下地层井孔中的井下工具的另一个实施方式的横截面视图；以及[0017] 图7是用在地下地层井孔中的井下工具的另一个实施方式的局部剖切透视图。
具体实施方式
[0018] 这里呈现的图示并不意味着是任何特殊井下工具、元件及其材料的实际视图，而仅是用于描述说明性实施方式的理想化表示。因此，这些图不必要是按比例绘制的。此外，图之间共有的元件可以保留相同或相似的附图标记。
[0019] 所披露的实施方式总体上涉及至少部分地由至少一种异常强化材料构成的井下工具。更具体地，所披露的内容是用在地层或地下井孔开采中的至少部分地由至少一种异常强化材料构成的井下工具。
[0020] 正如这里使用的，术语“异常强化材料”意思是并包括在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度的任何材料。正如本领域中已知的，材料的屈服强度是材料开始永久变形(即经历塑性变形)时材料内的应力。
[0021] 正如这里使用的，术语“井下工具”意思是并包括用在地层或地下地层井孔开采中的任何类型的工具。例如，井下工具包括固定切削刃钻头、牙轮钻头、孕镶钻头、取芯钻头、偏心钻头、双心钻头、混合式钻头、扩孔器、研磨器、压力壳体、扶正器、稳定器、套管段、钻管、诸如钻柱、套管柱之类的管柱中的元件连接件、地热管套、裸眼和套管井测井工具、钢丝绳起下的工具以及正如本领域中已知的用在井孔中的其他工具。
[0022] 参见图1，示出了用在地下地层井孔中的井下工具10的横截面视图。该井下工具10包括至少部分地由至少一种异常强化材料构成的本体12。
[0023] 异常强化材料的屈服强度随着温度的升高而增加的温度范围可以与在井孔内会遇到的温度的范围至少部分地重叠，并且在一些实施方式中可以涵盖会在井孔内遇到的该温度的范围。因此，当井下工具10在井孔内遇到温度升高时所述异常强化材料的屈服强度可以增加，因为在这些实施方式中升高的温度还没有达到会减小异常强化材料的屈服强度的水平。例如，在井孔内会遇到的温度的范围可以在大约100℃到350℃之间，选定的异常
强化材料可以在从100℃或者更低到350℃或者更高的温度范围内增加屈服强度。更具体地，在井孔内会遇到的温度的范围可以在大约110℃到200℃之间，选定的异常强化材料可以在从110℃或者更低到200℃或者更高的温度范围内增加屈服强度。更具体地，在井孔内会遇到的温度的范围可以在大约120℃到150℃之间，选定的异常强化材料可以在从120℃或者更低到150℃或者更高的温度范围内增加屈服强度。在其他实施方式中，异常强化材料的屈服强度随着温度的升高而增加的温度的范围可以小于会在井孔内遇到的温度的范围。[0024] 异常强化材料的强化(即屈服强度的增加)可以至少部分是由于异常强化材料中不同元素或相的相互作用造成的。例如，异常强化材料可以包括至少两种不同元素的合金。换言之，至少两种不同的元素可以均匀地混合或者以金属固溶体的形式彼此混合以构成异常强化材料。合金的至少一种元素可以具有不同于合金的另外元素的天然晶体结构的天然晶体结构(例如简立方、体心立方(BBC)、面心立方(FCC)等等)。在温度范围内随着温度的升高，异常强化材料开始从其中一种天然晶体结构转变到另一种天然晶体结构。晶体结构之间的这种转变可以造成原子位错，这会阻止异常强化材料的变形和扭曲。因此，使异常强化材料暴露于温度范围内的温度升高可以相应地增加异常强化材料的屈服强度。[0025] 异常强化材料可以包括在至少一定温度范围内随着温度的升高屈服强度增加的
任何材料。例如，异常强化材料可以包括Ni
3Al、Ni
3
V、Ni
3
Ga、Ni
3
Si、Ni
3
Ge、Fe
3
Al、FeAl、
Fe
3Ga、Fe
3
V、FeCo、Fe
3
Be、β-CuZn、Cu
3
Au、Co
3
Ti、Co
3
V、Pt
3
Ti、Ag
2
MgZn、TiAl、Mg
3
Cd、Mn
3
Sn或
者难熔金属二硅化物。R.Ramesh，B.Pathiraj和B.H.Kolster在Materials Processing
Technology杂志第78卷(1996)第56期中发表的题为Crystal Structure Changes in Ni
3
Al and its Anomalous Temperature Dependence of Strength的论文中披露了
Ni
3
Al材料在一定温度范围内呈现出随着温度的升高而异常强化的一个示例。M.H.Yoo，J.A.Horton和C.T.Liu在DOI10.2172/6958118(1988)-1.Strengthening Mechanisms中发表的题为Micromechanisms of Deformation and Francture in Ordered Intermetallic Alloys的论文中披露了异常强化材料以及它们的行为的另外的示例。
[0026] 作为一个具体的非限定性示例，异常强化材料可以包括具有B2有序结构的β-CuZn合金，在本领域中也称作“渗透简立方结构”或“氯化铯结构”。这种B2有序结构可以包括在简立方晶格中的Cu原子和在简立方晶格中的Zn原子，其中Cu和Zn的简立方晶格相互重叠使得Zn原子位于Cu简立方晶格的每个立方体的中心，Cu原子位于Zn简立方晶格的每个立方体的中心。β-CuZn可以包括52％重量的Cu和48％重量的Zn。正如Kee Ahn Lee，Young Won Chang和Chong Soo Lee在30Proceedings of the3rd Paci?c Rim Int’l Conf.on Adv.Mat.&Processing2997(1998)中发表的High Temperature Load Relaxation Behavior ofβ-Brass Alloy的图2中示出的，根据应变率，这种β-CuZn合金的屈服强度可以在大约150℃和大约325℃的范围内的至少一些温度下增加。
[0027] 在一些实施方式中，除了异常强化材料之外，所述本体12可以部分地由温度弱化材料构成(即随着温度的升高屈服强度只减小的材料)。这样，可以调整本体12的材料，以在一定温度范围内随着温度的升高呈现出选定的和预定的屈服强度性能。例如，本体12的屈服强度可以以选定的速率随着温度的升高而增加，该选定的速率不同于(例如慢于)仅由异常强化材料构成的本体12的屈服强度的增加速率。作为另一个示例，本体12的屈服强度可以随着温度的升高至少基本是恒定的。作为另一个示例，本体12的屈服强度可以以
选定的速率随着温度的升高而减小，该选定的速率不同于(例如慢于)仅由温度弱化材料构成的本体12的屈服强度减小的速率。
[0028] 例如并参照图2，其示出了可以用于构成本体12的复合材料14的横截面视图，该复合材料由至少一种异常强化材料16和至少一种温度弱化材料18构成。该复合材料14可以包括与温度弱化材料18的区域抵接的异常强化材料16的区域。例如，该复合材料14可以包括温度弱化材料18的不连续的相(例如颗粒)。温度弱化材料18的颗粒可以散布在异常强化材料16的连续的基体相之间。由于异常强化材料16的强化与温度弱化材料18的弱化的结合，该复合材料14在一定温度范围内可以具有至少基本恒定的屈服强度。[0029] 例如，复合材料14中温度弱化材料18的数量和在温度范围内所述温度弱化材料18的屈服强度随着温度的升高而减小的速率与复合材料14中异常强化材料16的数量和在所述温度范围内所述异常强化材料16的屈服强度随着温度的升高而增加的速率的结合可以使所得到的复合材料14的屈服强度在所述温度范围内至少基本是恒定的。所获得的复合材料14的材料特性与该复合材料14中异常强化材料16和温度弱化材料18的材料特性和数量的相关性是受“混合物规则”(“Rule of Mixtures”)控制的。这种颗粒-基体复合材料14的混合物规则使该复合物12的材料特性等于异常强化材料16的材料特性与异常强化材料16的体积分数的乘积加上温度弱化材料18的材料特性与温度弱化材料18的
体积分数的乘积。用公式表达就是，混合物规则使得YS
C ＝YS
ASM
V
ASM
+YS
TWM
V
TWM
，其中YS
C
是复
合材料14的屈服强度，YS
ASM 是异常强化材料16的屈服强度，V
ASM
是异常强化材料16的体
积分数，YS
TWM 是温度弱化材料18的屈服强度，V
TWM
是温度弱化材料18的体积分数。作为一
个具体的非限定性示例，温度弱化材料18和异常强化材料16在复合材料14中的数量可以相等，在所述温度范围内随着温度的升高温度弱化材料18的屈服强度的减小速率可以与异常强化材料16的屈服强度的增加速率相同，以使该复合材料14的屈服强度在所述温度范围内至少基本是恒定的。
[0030] 在其他实施方式中，异常强化材料16和温度弱化材料18可以结合成其中温度弱化材料18构成基体并且异常强化材料16构成颗粒的复合材料。在其他实施方式中，异常强化材料16和温度弱化材料18可以结合成在所述温度范围内随着温度的升高具有非恒定屈服强度(例如增加或减小屈服强度)的复合材料。在其他实施方式中，异常强化材料16和温度弱化材料18可以通过合金化(即均匀混合或者以金属固溶体彼此混合)或者通过由异常强化材料16和温度弱化材料18构成的本体12的不同部分彼此机械固定(例如通过焊接、过盈配合，粘接等等)来结合。
[0031] 参见图2A，示出了可以用于构成本体12的复合材料14′的另一个实施方式的横截面视图，该复合材料14′包括至少一种异常强化材料16和至少一种温度弱化材料18。该复合材料14′可以包括与温度弱化材料18的区域抵接的异常强化材料16的区域。例如，该复合材料14′可以包括与至少另一层温度弱化材料18抵接的至少一层异常强化材料16。异常强化材料16和温度弱化材料18的层可以彼此交替。例如，至少一层异常强化材料16可以插入两层温度弱化材料18之间。同样地，至少一层温度弱化材料18可以插入两层异常强化材料16之间。在一些实施方式中，不是所有的层是交替的。例如，至少一层异常强化材料16可以插入另一层异常强化材料16与一层温度弱化材料18之间。同样地，至少一层温度弱化材料18可以插入另一层温度弱化材料18与一层异常强化材料16之间。
在替代性实施方式中，异常强化材料16和温度弱化材料18的区域可以在这些区域之间具有非平面的界面、可以具有变化的厚度并且可以具有各种形状。
[0032] 回到图1，至少部分地由至少一种异常强化材料16构成所述本体12能够使所述本体12用在地下地层的井孔中而不降低定额值，因为异常强化材料16可以不经历屈服强度的减小或者屈服强度的减小程度比不包括这种异常强化材料的本体小。因此，异常强化材料16可以使井下工具10能够用在更深的井孔中，这可以使井下工具10相比于缺少这种异常强化材料的类似的井下工具承受更高的压力和温度，并处在更高的温度环境中。此外，通过至少如之前所述在一定温度范围内对屈服强度的定制调整，异常强化材料16使得井下工具10可以具有更可预见的性能。
[0033] 所述本体12例如可以包括配置成加强井下工具10的另一个元件或其他元件的中空圆柱形套筒。例如，包括异常强化材料的这种中空管状套筒可以放置在压力壳体套筒的内部或外部以在升高的温度下增加其强度。所述井下工具10可以包括监视系统，该监视系统可以通过钢丝绳下送到井孔中或者替代性地结合到偏心工作筒或开采管柱中，或者根据本领域中已知的其他方法设置到井孔中。在2010年2月9日授权给Kimiadi的美国专利号7,658,230 B2中更详细地披露了类似的监视系统。这种井下工具10可以包括抗压隔板20和限定中央腔室24的外部保护性抗压罩22。抗压壳体26位于罩22内靠近罩22的上端并且由压紧螺母28封闭。在绘出的实施方式中，壳体26基本是圆柱形的并且限定了内部封套30。然而，可以使用其他合适的形状。界面安装件32固定到隔板20的下端。自界面安装件32在腔室24向下延伸的是许多传感器34(例如温度和压力传感器)。流体联通端口40穿过所述罩22延伸以允许周围井孔内的流体进入腔室24中并联通到所述传感器34。
[0034] 图3更详细地示出了井下工具10的一部分。界面安装件32用于通过抗压隔板20使腔室24内的传感器34联通到井下工具10的外部。界面安装件32为传感器34提供了密封的联通装置。腔室24承受流体静压力，因此，隔板20在其下侧上而不是其上侧上承受高压力。因此，隔板20可以压靠在壳体26和本体12上。当井下工具10在地下井孔中承受升高的温度时，由温度弱化材料构成的井下工具10的元件(例如所述壳体26)可能弱化。此外，井孔环境中的高压力可以使隔板20压靠在壳体26上。本体12可以加强所述壳体26，尤其是当本体12和壳体26承受所述温度范围内的温度时——在所述温度范围内本体12的异常强化材料的屈服强度随着温度的升高而增加。因此，异常强化材料可以使井下工具10能够用在其中该井下工具10承受比缺少这种异常强化材料的类似的井下工具更高的温度和更高的压力的环境中。
[0035] 在其他实施方式中，井下工具10的其他元件可以至少部分地由异常强化材料构成。例如，壳体26、隔板20、罩22和压紧螺母28中的一个、一些或者全部可以部分地或者完全地由异常强化材料构成。在这些实施方式中，可以可选地从井下工具10中省去加强本体12。
[0036] 参见图4，示出了用在地下地层井孔中的井下工具10′的另一个实施方式的分解透视图，正如下面更详细披露的，其至少一个元件包括异常强化材料。井下工具10′可以包括用在井孔中的管状组件，例如钻管的管柱、套管柱或者相互连接构成管柱的其他管状构件系列。在2010年8月31日授权给Nutley等人的美国专利号7,784,550 B2中更详细
地披露了类似的管状构件。该井下工具10′可以包括第一管状构件42、第二管状构件44、连接件46、第一端连接件48和第二端连接件50。所述连接件46配置成将这两个管状构件42和44连接在一起。虽然示出了在端连接件48与50之间连接两个管状构件42和44的单个连接件46，但是在一些实施方式中多个连接件46可以在端连接件48与50之间连接更多个管状构件42和44。第一和第二管状构件42和44、第一和第二端连接件48和50以及连接件46每个形状基本是圆柱形的并且共同限定了在纵向上穿过井下工具10′的孔52。[0037] 连接件46具有基本圆柱形的形状并且部分地限定了所述孔52。连接件46在该连接件46的各自的相对端处具有带脊的轮廓(例如配合螺纹)。连接件46的带脊轮廓可以配合地与第一和第二管状构件48和50上的相应的带脊轮廓接合。连接件46的带脊轮廓可以设置在连接件的外部上，第一和第二管状构件48和50的带脊轮廓可以设置在第一和第二管状构件48和50的内部上，如图4中所示。在其他实施方式中，连接件46的带脊轮廓可以设置在该连接件的内部上，第一和第二管状构件48和50的带脊轮廓可以设置在该第一和第二管状构件48和50的外部上。
[0038] 参见图5，示出了组装好的图4的井下工具10′的一部分的横截面视图。本体12可以包括连接到连接件46并布置在连接件46内的中空圆柱形套筒，如图4中所示。在其他实施方式中，本体12可以包括连接到连接件46并围绕连接件46的中空圆柱形套筒。因此，本体12可以配置成加强所述连接件46。本体12可以至少部分地由异常强化材料构成。这样，相比于缺少这种异常强化材料的类似的井下工具，当包括本体12和连接件46的井下工具10′在地下地层的井孔内承受升高的温度时，本体12可以为连接件46提供增加的强化。
[0039] 在一些实施方式中，井下工具10′可以传递扭矩和钻压(WOB)到钻柱中的另一个元件(例如钻地钻头、扩孔器、研磨器等等)。在这些实施方式中，本体12的异常强化材料可以使井下工具10′能够在高温下使用而不降低定额值(即减小额定的最大扭矩或WOB)，而在所述高温下缺少这种异常强化材料的类似的井下工具需要降低定额值。
[0040] 在替代性的实施方式中，本体12可以布置在第一管状构件42、第二管状构件44、第一端连接件48和第二端连接件50中的一个、一些或全部内或者可以围绕第一管状构件42、第二管状构件44、第一端连接件48和第二端连接件50中的一个、一些或全部。在一些实施方式中，井下工具10′的其他元件可以至少部分地由异常强化材料构成。例如，第一管状构件42、第二管状构件44、第一端连接件48和第二端连接件50中的一个、一些或全部可以部分地或者完全地由异常强化材料构成。在这些实施方式中，可以可选地从井下工具10′中省去加强本体12。
[0041] 参见图6，示出了用在地下地层井孔中的井下工具10″的另一个实施方式的横截面视图，其包括至少一个包括异常强化材料的元件。该井下工具10″可以包括用在井孔中的安全阀。在2003年7月23日公布的Harvey等人的美国专利申请公开号2004/0011559 A1中更详细地披露了用在井孔中的类似的安全阀。井下工具10″可以包括帽54和穿过所述帽54从高压区58延伸到低压区60的通道56。至少部分地由异常强化材料构成的本体12可以将高压区58与低压区60分开。本体12可以配置为爆裂板，当高压区58与低压区60之间的压力差超出本体12的选定并预定的最大应力时该爆裂板破裂。
[0042] 在一些实施方式中，配置为爆裂板的该本体12可以部分地由温度弱化材料构成，
使得本体12的屈服应力在一定温度范围内至少基本恒定，这归因于在所述温度范围内随着温度的升高异常强化材料的强化与温度弱化材料的弱化的结合。例如，所述本体12可以由复合材料构成，该复合材料包括与异常强化材料的区域(例如基体或层)抵接的温度弱化材料的区域(例如基体或层)。这样，所述本体12可以在高压区58与低压区60之间的选定的压力差下破裂而与温度差无关，只要温度保持如下的温度范围内——在该温度范围内所述本体12的屈服应力保持至少基本恒定。因此，相比于缺少这种异常强化材料的类似的安全阀，异常强化材料使安全阀能够具有更一致和更可预见的性能。在其他实施方式中，所述本体12可以完全由异常强化材料构成或者所述本体12可以由异常强化材料和温度弱化材料构成，使得所述本体12的屈服强度在所述温度范围内相比于缺少异常强化材料的类似本体以不同的速率增加或减小。
[0043] 在一些实施方式中，井下工具10″的其他元件可以至少部分地由异常强化材料构成。例如，例如，所述帽54、限定所述通道56的其他元件或者限定高压区58或低压区60的部分或者布置在高压区58或低压区60内的其他元件可以至少部分地由异常强化材料构成。
[0044] 参见图7，示出了用在地下地层井孔中的井下工具10″′的另一个实施方式的局部剖切透视图，其包括至少一个包括异常强化材料的元件。该井下工具10″′可以包括配置成在地下地层中钻出井孔的钻地旋转式钻头。在2010年8月7日授权给Smith等人的美国专利号7,776,256 B2、2010年9月28日授权给Oxford等人的美国专利号7,802,495 B2和2011年3月29日授权给Choe等人的美国专利号7,913,779 B2中披露了类似的钻地旋转式钻头以及形成这种钻地旋转式钻头的方法。所述井下工具10″′具有配置为钻头的本体12，该钻头至少部分地由异常强化材料构成。该井下工具10″′还可以包括连接到钻头本体12的柄部62。
[0045] 所述柄部62包括基本圆柱形的外壁，该外壁具有外表面和内表面。所述柄部62的外壁包围穿过所述井下工具10″′延伸的纵向孔64的至少一部分。所述柄部62的外壁的至少一个表面可以配置为将所述柄部62连接到钻头本体12。所述柄部62还可以包括外或内API螺纹连接部66以用于将井下工具10″′连接到钻柱(未示出)。一个或多个可选的孔68可以穿过所述柄部62的外壁延伸。可以在所述钻头本体12上形成至少一个可选的凹槽86。每个可选的凹槽86可以对应于穿过所述柄部62的外壁延伸的可选的孔68并与该可选的孔68对准。可以在柄部62上的每个孔68和每个凹槽86内设置保持构件88。所述柄部62、保持构件88和钻头本体12之间的机械干涉可以防止钻头本体12与所述柄部
相62在纵向上分离，并且可以防止钻头本体12围绕旋转式井下工具10″′的纵向轴线L
50
对于所述柄部62转动。
[0046] 可以在所述柄部62与钻头本体12之间的基本均匀的间隙中设置诸如银基或镍基金属合金之类的钎焊材料90。作为对钎焊的替代，或者除了钎焊之外，可以沿着钻头本体12与钢柄部62之间的界面在旋转式井下工具10″′的外表面上围绕该井下工具设置焊缝92。焊缝92和钎焊材料90可以用于进一步将柄部62紧固到钻头本体12。在该结构中，如果在钻进操作期间当井下工具10″′位于井孔底部时柄部62与钻头本体12之间的基本均匀的间隙中的钎焊材料90和焊缝92失效，那保持构件88可以防止钻头本体12与柄部62在纵向上分离，从而防止钻头本体12遗失在井孔中。
[0047] 在一些实施方式中，井下工具10″′的钻头本体12可以基本由颗粒-基体复合材料构成和组成。颗粒和基体中的至少一个，或者颗粒和基体中的至少一个的一部分，可以包括异常强化材料。此外，钻头本体12内的颗粒-基体复合材料的成分可以选择性地改变，以在钻头本体12内提供具有不同的、定制调整的物理特性或性能的不同区域。
[0048] 通过示例和非限定方式，所述钻头本体12可以包括具有第一材料成分的第一区域70和具有第二、不同材料成分的第二区域72。第一区域70可以包括钻头本体12的在纵向上靠下的并在横向上靠外的区域，这些区域通常称作钻头本体12的“冠部”。第一区域70可以包括钻头本体12的面74，所述面可以配置成携带多个切削元件，比如PDC切削件76。例如，可以在所述钻头本体12的所述面74中或上设置多个凹口78和支撑垛80，以用于携带并支撑PDC切削件76。此外，可以在钻头本体12的第一区域70中设置多个刮刀82和排屑槽84。第二区域72可以包括钻头本体12的在纵向上靠上并在横向上靠内的区域。纵向孔64可以至少部分地穿过钻头本体12的第二区域72延伸。
[0049] 正如之前叙述的，钻头本体12的第一区域70可以具有第一材料成分，钻头本体12的第二区域72可以具有第二、不同的材料成分。第一区域70可以包括金属、金属合金或者颗粒-基体复合材料。钻头本体12的第二区域72可以包括金属、金属合金或者颗粒-基体复合材料。通过示例和非限定方式，第一区域70的材料成分可以选择成在钻进期间会遇到的升高的温度下呈现出比第二区域72的材料成分更高的屈服强度。因此，在一些实施方式中，相比于第二区域72，第一区域70可以包括更大的异常强化材料体积百分比。[0050] 在第一区域70包括颗粒-基体复合材料的实施方式中，第一区域70的颗粒-基体复合材料可以包括随机地分散在整个基体材料中的多个硬质颗粒。这些硬质颗粒可以包括金刚石或者诸如碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B
4
C))之类的陶瓷材料。更具体地，这些硬质颗粒可以包括由诸如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si之类的元素制成的碳化物和硼化物。通过示例和非限定方式，可以用于构成硬质颗粒的材料包括碳
化钨(WC，W
2C)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、硼化钛(TiB
2
)、碳化铬、氮化钛(TiN)、碳化钒
(VC)、氧化铝(Al
2O
3
)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和碳化硅(SiC)。此外，不同硬质颗粒的
组合可以用于调整颗粒-基体复合材料的物理特性和性能。所述硬质颗粒可以使用对于本领域技术人员公知的技术成型。最合适的硬质颗粒材料可以在市场上买到，剩余物的配方在本领域普通技术人员的能力范围内。颗粒-基体复合材料的基体材料可以包括异常强化材料。
[0051] 钻头本体的第二区域72的材料成分可以包括例如钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。第二区域72的材料成分还可以选自市场上的纯元素，比如钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。通过示例和非限定方式，第二区域72的材料成分可以包括碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、哈德菲尔德锰钢、镍或钴超级合金材料以及诸如之类的低热膨胀铁或镍基合金。正如这里使用的，术语“超级合金”指的是具有至少12％重量铬的铁、镍和钴基合金。可以用作第二区域72的材料成分的另外的示例性
合金包括奥氏体钢、诸如或之类的镍基超级合金以及
型合金。第二区域72的材料成分的另一种示例性材料是哈德菲尔德奥氏体锰钢(具有12％重量的Mn和1.1％重量的C的Fe)。替代性地，钻头本体12的第二区域72
的材料成分可以包括其中硬质颗粒随机地分散在整个基体材料中的颗粒-基体复合材料。硬质颗粒和基体材料可以选自之前结合第一区域70的硬质颗粒和第二区域72的材料成分描述的那些成分。然而，钻头本体12的第二区域72的材料成分可以选择成便于使用传统的加工技术对第二区域72进行加工。这些传统的加工技术可以包括例如车、磨和钻技术，其可以用于将钻头本体12的第二区域72配置成连接到柄部62。例如，可以在钻头本体12的第二区域中加工出诸如凹槽86之类的特征以将钻头本体12的第二区域72配置成连接到所述柄部62。
[0052] 在其他实施方式中，钻头本体12的第一区域70和第二区域72可以基本上由相同的金属、金属合金或者颗粒-基体复合材料构成和组成。在这些实施方式中，第一区域70和第二区域72的至少一部分可以由异常强化材料构成。在一些实施方式中，井下工具10″′的其他元件可以至少部分地由异常强化材料构成。例如，柄部62、保持构件88和切削件76中的一个、一些或者全部可以部分地或者完全地由异常强化材料构成。通过由异常强化材料构成井下工具10″′的本体12、构成井下工具10″′的其他元件，或者二者至少部分地由异常强化材料构成，井下工具10″′至少在异常强化材料的屈服强度随着温度升高而增加的温度范围内随着温度的升高需要更少的降低定额值、随着温度的升高可以不需要降低定额值以及随着温度的升高甚至能够增加要施加的扭矩和WOB。
[0053] 此外，本发明范围内的非限定实施方式包括：
[0054] 实施方式1：一种用在地下地层中的井孔中的井下工具，包括：本体，所述本体包括至少一种异常强化材料。
[0055] 实施方式2：根据实施方式1所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0056] 实施方式3：根据实施方式2所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料在从大约100℃到大约350℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0057] 实施方式4：根据实施方式1所述的井下工具，其中，所述至少一种异常强化材料包括由至少两种不同元素构成的合金，所述至少两种不同元素中的至少一种元素的天然晶体结构不同于所述至少两种不同元素中的至少另一种元素的天然晶体结构。
[0058] 实施方式5：根据实施方式1-4中任一项所述的井下工具，其中，所述本体还包括温度弱化材料。
[0059] 实施方式6：根据实施方式5所述的井下工具，其中，所述本体的屈服强度在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的变化至少基本是恒定的。[0060] 实施方式7：根据实施方式5或实施方式6所述的井下工具，所述本体包括复合材料，该复合材料包括基体相和非连续相，所述基体相包括异常强化材料，所述非连续相包括散布在所述基体相内的温度弱化材料。
[0061] 实施方式8：根据实施方式1-7中任一项所述的井下工具，其中，所述至少一种异
常强化材料包括选自由Ni
3Al、Ni
3
V、Ni
3
Ga、Ni
3
Si、Ni
3
Ge、Fe
3
Al、FeAl、Fe
3
Ga、Fe
3
V、FeCo、
Fe
3Be、β-CuZn、Cu
3
Au、Co
3
Ti、Co
3
V、Pt
3
Ti、Ag
2
MgZn、TiAl、Mg
3
Cd、Mn
3
Sn和难熔金属二硅化物
构成的组中的至少一种材料。
[0062] 实施方式9：根据实施方式1-8中任一项所述的井下工具，其中，所述本体包括中空圆柱形套筒。
[0063] 实施方式10：一种形成用在地下地层中的井孔中的井下工具的方法，包括：形成包括至少一种异常强化材料的本体。
[0064] 实施方式11：根据实施方式10所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料，以在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0065] 实施方式12：根据实施方式11所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料，以在从大约100℃到大约350℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0066] 实施方式13：根据实施方式11或实施方式12所述的方法，还包括形成所述本体以包括温度弱化材料。
[0067] 实施方式14：根据实施方式13所述的方法，其中，形成所述本体以包括温度弱化材料的步骤包括配置所述本体以在所述至少一些温度下呈现出基本恒定的屈服强度。[0068] 实施方式15：根据实施方式10-实施方式14中任一项所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料以包括合金，所述合金包括至少两种不同的元素，所述至少两种不同元素中的至少一种元素的天然晶体结构不同于所述至少两种不同元素中的至少另一种元素的天然晶体结构。
[0069] 实施方式16：根据实施方式实施方式10-实施方式15中任一项所述的方法，还
包括选择所述至少一种异常强化材料以包括Ni
3Al、Ni
3
V、Ni
3
Ga、Ni
3
Si、Ni
3
Ge、Fe
3
Al、FeAl、
Fe
3Ga、Fe
3
V、FeCo、Fe
3
Be、β-CuZn、Cu
3
Au、Co
3
Ti、Co
3
V、Pt
3
Ti、Ag
2
MgZn、TiAl、Mg
3
Cd、Mn
3
Sn和
难熔金属二硅化物中的一种或多种。
[0070] 实施方式17：一种在地下地层中的井孔中使用井下工具的方法，包括将包括至少一种异常强化材料的本体布置在地下地层中的井孔中；以及使所述至少一种异常强化材料在井孔内承受比地下地层表面处的温度更高的温度并增加所述至少一种异常强化材料的屈服强度。
[0071] 实施方式18：根据实施方式17所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料以在从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0072] 实施方式19：根据实施方式18所述的方法，还包括选择所述至少一种异常强化材料以在从大约100℃到大约350℃的温度范围内的至少一些温度下随着温度的升高呈现出增加的屈服强度。
[0073] 实施方式20：根据实施方式17-19中任一项所述的方法，还包括形成所述本体以从大约0℃到大约500℃的温度范围内的至少一些温度下呈现出随着温度的变化至少基本恒定的屈服强度。
[0074] 虽然已经结合附图描述了某些说明性实施方式，但是本领域技术人员将会认识并意识到本发明的实施方式并不局限于这里明确示出并描述的那些实施方式。而是可以对这里描述的实施方式做出许多添加、删除和修改而不脱离正如下面要求保护的本发明的实施方式的范围，包括合法的等价方式。此外，来自于一个实施方式的特征可以与另一个实施方
式的特征结合，但仍然包含在正如由发明人构想的本发明的实施方式的范围内。
图1
图2
图2A
图3
图4
图5
图6
吉林大学,考研,材料科学 金属材料的强化方法
1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。第二, 合金组元与基体金属的 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)
井下工具分类及详细介绍
井下工具 目录 打捞类工具 1、公锥 2、母锥 3、滑块捞矛 4、分瓣捞矛 5、TFLM-T提放式可退捞矛 6、提放式分瓣捞矛 7、可退捞矛 8、伸缩捞矛 9、二用伸缩捞矛 10、可退式螺旋卡瓦捞筒 11、可退式蓝式卡瓦捞筒 12、卡瓦捞筒 13、弯鱼头打捞筒 14、提放式可退捞筒 15、短鱼头打捞筒 16、电泵捞筒 17、可退式螺旋卡瓦电泵捞筒 18、活页式捞筒 19、不可退式抽油杆捞筒 20、弯抽油杆捞筒 21、组合式抽油杆捞筒 22、提放式抽油杆捞筒 23、三球打捞器 24、抽油杆接箍捞矛 25、多用打捞筒 26、颠倒式抽油杆捞筒 27、蓝式抽油杆捞筒 28、螺旋式抽油杆捞筒 29、偏心式抽油杆接箍捞筒 30、提放式倒扣捞矛 31、可胀式倒扣捞矛 32、倒扣捞矛 33、倒扣捞筒 34、提放式倒扣捞筒 35、反循环打捞蓝 36、局部反循环打捞蓝 37、开窗捞筒
38、缆绳打捞钩 39、外钩 40、内钩 41、内外组合钩 42、活齿钩 43、一把抓 44、磁力打捞器 45、测井仪器打捞器 46、弹簧打捞筒 47、老虎嘴 整形类工具 48、梨形涨管器 49、偏心辊子整形器 50、长锥面涨管器 51、三锥辊整形器 52、旋转震击式整形器 53、楔形涨管器 54、偏心涨管器 55、球形涨管器 56、顿击器 57、复合式鱼顶修整打捞器 58、鱼顶修整器 震击类工具 59、开式下击器 60、润滑式下击器 61、液压式上击器 62、液压加速器 切割类工具 63、水力式外割刀 64、机械式内割刀 65、机械式外割刀 钻、磨、铣类工具 66、三刮刀钻头 67、十字钻头 68、鱼尾刮刀钻头 69、尖钻头 70、偏心钻头 71、三牙轮钻头 72、平底磨鞋 73、凹面磨鞋 74、梨形磨鞋 75、滚球式平底磨鞋 76、内铣鞋 77、外齿铣鞋
金属材料的强化方法
第五章金属材料的强化方法 一、金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构
图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。 由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率 εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算： ?+=f l d d d l εεεε σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类：
定向井常用井下工具概要
油田技术－定向井工程师序列培训讲义（T2－21） 第一部分定向井常用井下工具的分类 1、泥浆马达（PDM） 2、旋转导向工具 3、扶正器（STB） 4、非磁钻铤（NMDC） 5、悬挂短节（HOS） 6、短非磁钻铤（SNMDC） 7、浮阀（F/V） 8、定向接头（O/S） 9、挠性短节（F/J） 10、震击器（JAR） 11、加重钻杆（HWDP） 12、短钻铤 13、弯接头 14、套管开窗工具 15、其它定向井工具 第二部分定向井常用井下工具的现场检查测绘及使用 一、泥浆马达 1、泥浆马达的主要组成部分 1) 旁通阀总成2) 马达总成 3) 万向轴总成4) 驱动轴总成 2、泥浆马达的工作原理: 马达是一种螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以泥浆作为动力的一种井下动力钻具。马达工作原理：泥浆泵产生的高压泥浆流，经旁通阀进入马达时，转子在压力泥浆的驱动下，绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。 3、旁通阀结构及工作原理： 旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧面的阀口孔流向钻杆(钻具)内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧面的阀口流入环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压力达到一定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。 4、马达总成的结构及工作原理： 马达总成由转子和定子两部分组成。定子与转子之间形成若干个密封腔，在泥浆动力作用下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从而推动转子在定子中旋转。马达可形成几个密封腔就称几级马达。
5、万向轴总成的工作原理： 万向轴总成位于转子下端，其作用是把马达产生的扭矩和转速传递到传动轴上。由于转子作的是偏心运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏心运动转换成传动轴的定轴转动。 6、传动轴总成(drive shaft assembly) 的工作原理： 它的作用是将马达的旋转动力（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷。 7、泥浆马达操作参数及注意事项 <工作压力 <循环压力 <工作压差 <马达井口试验应注意的问题 <不同马达所允许的轴向间隙 <马达使用结束后应注意的问题 <马达到达井场后先要作什么 二、旋转导向工具（另有专题讨论） 旋转导向工具是钻柱保持旋转状态下就能实现造斜、增斜、稳斜、降斜和扭方位等定向钻井目的的井下工具。旋转导向工具的种类繁多，工作原理各异，从技术手段上分有全机械式、电子机械式、电子液压式等，从工作原理上分有静止式和调节式等。静止式是指，当钻柱旋转时，导向支撑块不转动，可沿井眼轴线方向滑动；调节式是指，当钻柱旋转时，支撑块随钻柱一起转动，但其整体工作效果具有导向作用。 到目前为止我们只用过SCHLUMBERGER公司的POWER DRIVE、BAKER HUGHES INTEQ公司的AUTO TRAK 和HALLIBURTON公司的GEO-PILOT旋转导向系统。前者为调节式，后两者为静止式 三、扶正器 1、扶正器的分类 可调扶正器 一体式扶正器 近钻头扶正器 可换套筒式扶正器 2、扶正器的作用 1)．在增斜钻具组合和降斜钻具组合中，稳定器起支点作用，通过改变稳定器在下部钻具组合中的位置，可改变下部钻具组合的受力状态，达到控制井眼
井下消防材料库物品清单
井下防材料库设计与消防器材 通过编制标准设计，经过耐7个局l5座生产一矿井和 10多个煤炭设计院的调查，介绍矿井下消防材料库的设计以及其中的消防器材的分类、适用范围、选型与配备标准 l 、有关规定及目前状况《煤矿安全规程》规定：“每一矿井必须在井上下设置消防材料库??，井下消防材料库应装备消防列车”。煤炭部在(83)煤技字第1029号文件《煤矿安全装备基本要求》中指出：井下消防材料库必须备有消防列车、水泵、泡沫灭火器和其它灭火器材”原则上讲，所有执行《煤矿安全规程》的矿井，无论自燃严重与否及井型大小．都必须在井下设置消防材料库。库房内应装备消防列车。并备有水泵、泡沫灭火器，打密闭材料和其它灭火器材。 目前．国内使用的红阳四号井、潘集二号井和兴降庄矿等几项井下消防材料库通用设计(库房长度为20~26．5m)，也是采用极其简单的、不装备消防列车的布置型式。这是不符合现行《煤矿安全规程》的要求的。 2 消防器材的选型与配备 井下消防器材可分为直接灭火器材、密闭材料和消防工具三大类。2．1 直接灭火器材 2．1．1 各种灭火剂在井下的适用范围 2．1．1．1 二氧化碳灰灭火剂：二氧化炭灭火剂主要扑灭电气、精密仪器、贵重生产设备等发 生的火灾。适用于井下水泵房、井下变电所、箕斗控制间、井下绞车房、移动变电整流站、充电硐室、电机车库、机械修理间、井下压风机房等场所内设置。 2．1．1．2 于粉灭火剂：于粉灭火剂可分为Bc类于 粉(普通于粉)ABCD类于粉(通用于粉)和D类于粉于粉灭火剂多用于扑敷可燃液体、可燃气体的电气火灾。适用于井下水泵房、井下变电所、箕斗停放间、暗井I=l及井底、井下绞车房、电气修理间、井下练采设备检修硐室、油类贮存硐室、电、气焊硐室、皮带修复硐室、液压动力装置供电硐室、充电硐室、井下爆破材料库、液压泵站等场所。 2．1．1．3 泡沫灭火剂、泡沫灭火剂用来扑救油脂 类、木材等一般固体物质的初起火灾；不适用扑救纤维类、电器类、轻金属类火灾。可用于生产水平井底车场，箕斗停放间、暗井口及井
工程材料强化方法综述
工程材料强化方法综述 xxx 【摘要】本文主要包括金属固溶体强化，第二项强化，形变强化，细化晶粒强化，热处理强化以及表面热处理和化学热处理等。 【关键词】固溶体位错细化晶粒退火正火淬火回火 【作者简介】李洪民机制本科班 引言 随着现代科技的发展，越来越多的材料被运用到日常的生活生产之中，这就使得强化和处理材料成为工程材料应用的重要问题之一，通过各类强化和处理手段，既可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力又可以获得一些特殊要求的性能，以满足各种各样使用条件下对材料的要求。 1.固溶体强化 1.1固溶体定义及表示方法 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。 1.2.固溶体的分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子; 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。 1.3.固溶体强化机理 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 2.金属化合物强化（第二相强化） 复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。使得合金强度、硬度和耐磨性都有所提高。对于位错的运动来说，合金所含的第二相有以下两种情况：（1）、不可变形微粒的强化作用。（2）、可变形微粒的强化作用。 弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。 3.形变强化 金属在冷变形过程由于位错使得强度和硬度提高但塑性下降，该现象被称为加工硬化。多用于不可热处理强化的金属材料。 4.细化晶粒强化 金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒的大小对金属的力学性能物理性能和化学性能均有很大影响细晶组织的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好。这是因为，晶粒越细一定体积中的晶粒数目越多，在同样的变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀不致产生应力集中的现象。此外，晶粒细化，晶界就越多，越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现较高的塑性和韧性。常见细化晶粒方法如下：
金属材料的强化机理讲解
材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理
摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变
Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition
压裂常用的井下工具
目前压裂常用的井下工具有那些？ 各有什么作用？ 目前压裂常用的井下工具主要有：封隔器、导压喷砂器、水力锚、 直嘴子及其它辅助工具。 它们的作用是： 封隔器：用于分层压裂，将其下入射孔段底部1.5米左右。 对于上部套管需要保护的井，要下入保护上部套管的封隔器， 使封隔器上部套管在压裂时不承受高压。 导压喷砂器：是与封隔器配套使用一次完成多层分压的喷砂工具。 作用：控制施工排量、产生压差。改变压裂液流动方向。 水力锚：用于压裂施工时，固定管柱，防止管柱由于高压断脱在井内 造成事故。 固定管柱，防止油管受压后上顶、产生弯曲、变形。 帮助封隔器工作，保护封隔器胶筒不因油管位移产生破裂失封，致使压裂失败。 直嘴子：控制施工排量。 产生压差，利于封隔器工作。 井下处常用压裂井下工具 压裂施工井下工具分类 ?封隔器 ?控制类工具 第一部分：封隔器 1、K344型封隔器 1）作用：该封隔器适用于中深井的合层、任意一层或分层的压裂与酸化，可以组成一次分压多层的压裂管柱和一次分酸多层的酸化施工管柱。 2）结构 主要有上接头、胶筒座、胶筒、中心管、“O”型胶圈、滤网、下接头等。（如图1所示） 图1 K344型封隔器结构图 3）工作原理 封隔器下入井下设计深度后，从油管内加液压，高压液体经过滤网、下接头的孔眼和中心管的水槽作用在胶筒的内腔。由于此压力大于油、套管环形空间的压力而形成压力差。在此压差的作用下，胶筒胀大将油套管环形空间封隔住。解封时只需泄掉油管内的高压，使油管与油套管环形空间的压力平衡，胶筒靠本身的弹力收回便可解封。 4）K344-115型封隔器主要技术参数（见表1） 表1 K344-115主要技术参数表 最大外径，mm φ115 最小通径，mm φ55 长度，mm 926 坐封压力，MPa 0.5~1.5 工作压力，MPa 35 工作温度，℃90
钢铁材料的强化手段与应用
钢铁材料的强化手段及其应用 赵刚领 （化学工程学院化学工程与工艺1143084077） 摘要：随着现代工业和科学技术的不断发展,人们对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。特别是在航空、国防以及高科技领域，一般的金属材料已不能满足它们的要求。因此，对钢铁材料进行强化应用已变得刻不容缓。本文主要概述了人们目前对钢铁材料强化的方法，并介绍了强化钢在不同领域的应用。 关键词：钢铁材料强化手段应用 金属是通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高材料的强度。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。 钢铁材料的强度是其抵抗变形和断裂的能力，而要满足钢铁材料高强度的要求，就必须对它进行强化处理。强化钢铁材料的手段,一般可加入合金元素(加入微量元素如V、Nb、Ti 等)通过调质处理使其析出强化、控制轧制及冷却方法等 对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、分散强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的，强化一般伴随着韧性、塑性的降低，但有时也不会降低甚至有所提高。而在工程上更加切实有效的方法是在晶体中引入大量缺陷及阻止位错的运动来提高金属的强度。 由于各种强化方法对钢铁材料强度的不同影响，采用不同强化手段后可使铁的强度提高，这些手段包括固溶强化、细晶强化、冷变形强化、马氏体强化、形变一相变强化、形变强化和脱溶强化等多种强化方法，形变热处理和冷拔高碳钢丝的强度已接近晶须的强度。 1、固溶强化 固溶强化是将合金元素加入到钢铁材料基体金属中形成固溶体以达到强化金属的方法。一般来说,固溶体总是比组成基体的纯金属有更高的强度和硬度,随着合金元素含量的增加,钢的强度和硬度提高。但是当合金元素的含量适当时,固溶体不仅具有高的强度和硬度,而且有良好的塑性和韧性。它是利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。 2、分散强化
金属材料的强化方法和位错的关系
陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。 首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。 其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。 第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。 第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。 第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标
井下打捞工具DOC
第4章井下打捞工具 在修井作业中，打捞作业占三分之二以上，而井下落物种类繁多，形态各异，其中主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物、破损胶皮、卡瓦及磨套铣金属碎屑等。打捞工具就是针对不同落物的特点设计制造的，用来打捞井下落物的工具。打捞工具按照境内落物的类型，可分为管类打捞工具、杆类打捞工具、绳缆类打捞工具、测井仪器类打捞工具、小物件类打捞工具。比如打捞筒、打捞矛、公锥、母锥、强磁打捞器、内钩、外钩、一把抓、捞杯、钢丝刷等。 4.1 锥类打捞工具 锥类打捞工具是一种专门从管类落物(油管、钻杆、封隔器、配水器等下井工具)的内孔或外壁上进行造扣而打捞落物的专用工具，打捞成功率较高，操作也较容易掌握。锥类打捞工具分为公锥和母锥两种形式。 4.1.1 公锥 公锥由连接头和锥体两部分组成，一般是长锥形整体结构。锥体的螺纹有三角形螺纹和锯齿形螺纹两种，同时又分有排屑槽和无排屑槽形式，公锥的结构如图4-1所示。 图4-1 公锥结构示意图 工作原理：当公锥进入打捞落物内孔之后，加适当的钻压，并转动钻具，迫使打捞螺纹挤压吃入落鱼内壁进行造扣。当所造之扣能承受一定的拉力和扭矩时，可采用上提或倒扣的办法将落物全部或部分捞出。
4.1.2 母锥 母锥是长筒形整体结构，由接头与本体两部分构成。接头上有正、反扣标志槽，本体内锥面上有打捞螺纹。打捞螺纹与公锥相同，有三角形螺纹和锯齿形螺纹两种，同时也分有排屑槽和无排屑槽两种形式，母锥的结构如图4-2所示。 工作原理：母锥工作原理与公锥相同，均依靠打捞螺纹在钻具压力与扭矩作用下，吃入落物外壁造扣，将落物捞出。就造扣机理而言，属挤压吃入，不产生切屑。 图4-2 母锥结构示意图 4.2 矛类打捞工具 矛类打捞工具按作用原理可分为水力式打捞矛和机械式打捞矛；按工具结构特点可分为不可退式滑块捞矛、接箍捞矛、可退式捞矛3大类。其中滑块捞矛又有单牙块与双牙块两种；接箍捞矛又分为抽油杆接箍捞矛和油管接箍捞矛两种。 4.2.1 水力打捞矛 用途：水力打捞矛用于从落鱼内孔打捞各种大直径管类落鱼，如断裂的套铣管、提打捞简和大直径冲铣管等。 结构：水力打捞矛由上接头、矛体、活塞、活塞推杆、弹簧、卡瓦及锥体等组成，结构如图4-3所示。
材料的强化
1. 材料强化的类型：主要有晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀强化和 弥散强化、相变强化等。 2. 强化机制： (1) 晶界强化： 晶界分为大角度晶界(位向差大于10o)和小角度晶界(亚晶界，位向差1~2o)。晶界 两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸 变状态。晶界处位错密度较大，对金属滑移(塑性变形)、位错运动起阻碍作用，即晶界 处对塑性变形的抗力较晶内为大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也 困难。因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈服强度也 越高。 方法： 根据晶界强化的原理，在热处理工艺方法上发展了采用超细化热处理的新工艺，即细化奥氏体(A)晶粒 或碳化物相，使晶粒度细化到十级以上。由于超细化作用，使晶界面积增大，从而对金属塑性变形的抗力 增加，反映在力学性能方面其金属强韧性大大提高。 如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热处理新技 术方法有以下三种。 ①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理。 由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提高，在10-2 ~1s 的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A)状 态，此时A 的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达104 ℃/s 以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一 般高频淬火比较硬度可高出Hv50，而变形只有高频淬火的1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。 ②利用奥氏体(A)的逆转变 钢件加热到 A 后，淬火成M，然后快速(20s)内重新加热到 A 状态，如此反复3~4 次，晶粒可细化到 13~14级。 ③采用A-F两相区交替加淬火 采用亚温淬火(F+A 双相区加热)，在提高材料强韧性的同时显著降低临界脆化温度，抑制回火脆性。 在A-F两相区交替加热，可使A/F相界面积大大增加，因而使奥氏体形核率大大增多，晶粒也就越细化。 (2) 固溶强化： 是利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属) 进行强化。它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。 a. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入 溶剂金属时，形成间隙式固溶体。C、N 等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性 交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。当在螺 型位错应力场作用下，C、N 原子在位错线附近有规则排列就形成“snock”气团。 7这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生 强化效应。
金属材料的强化方法
金属材料的强化方法 金属材料的强化途径，主要有以下几个方面； (1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括： 1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。 2)提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化．通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化。含金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构．使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类： 1)沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3．NbC 等，二是六方晶系，如M02、W2C、wc等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。 2）马氏体强化。金属材料经过淬火和随后同火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身：世在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩敞速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化品界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，足由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的品格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；B还减缓了合金元素沿晶界的扩放过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如： 1)固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。 2)结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。 3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳裁荷的构件，常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。 4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用．进一步提高材料的高温强度。
材料强化
金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。影响强度的因素很多。最重要的是材料本身的成分、组织结构和表面状态；其次是受力状态，如加力快慢、加载方式，是简单拉伸还是反复受力，都会表现出不同的强度；此外，试样几何形状和尺寸及试验介质也都有很大的影响，有时甚至是决定性的，如超高强度钢在氢气氛中的拉伸强度可能成倍地下降（见应力腐蚀断裂和氢脆）。 在本文中，强化一般是指金属材料的室温流变强度，即光滑试样在大气中、按给定的变形速率、室温下拉伸时所能承受应力的提高。应强调指出：提高强度并不是改善金属材料性能惟一的目标，即使对金属结构材料来说，除了不断提高强度以外，也还必须注意材料的综合性能，即根据使用条件，要有足够的塑性和韧性以及对环境与介质的适应性。 强化的理论基础从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，此时金属的理论切变强度一般是其切变模量的1/10～1/30。而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。例如,纯铁单晶的室温切变强度约为 5kgf/mm2,而按铁的切变模量(5900kgf/mm2)来估算,其理论切变强度应达 650kgf/mm2。造成这样大差异的原因曾是人们长期关注的课题。直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性（见形变和断裂）。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。 强化途径金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm)，强度会急剧下降。有人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错，一旦有可动位错存在，强度就急剧下降了。从自前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化 第一节材料强化基本原理 结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。 一、金属材料的强化原理 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象， 称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作 用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可 分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。 （1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的 长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相 位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要 看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位 错截交成弯曲形状。如图10—l所示． 图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。 x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。 处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强， 这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力 求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形 状。相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要 式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故
井下爆炸材料库安全要求实用版
YF-ED-J7692 可按资料类型定义编号 井下爆炸材料库安全要求 实用版 In Order To Ensure The Effective And Safe Operation Of The Department Work Or Production, Relevant Personnel Shall Follow The Procedures In Handling Business Or Operating Equipment. （示范文稿） 二零XX年XX月XX日
井下爆炸材料库安全要求实用版 提示：该操作规程文档适合使用于工作中为保证本部门的工作或生产能够有效、安全、稳定地运转而制定的，相关人员在办理业务或操作设备时必须遵循的程序或步骤。下载后可以对文件进行定制修改，请根据实际需要调整使用。 第一节爆炸材料贮存 第二百九十五条爆炸材料的贮存，永久性地面爆炸材料库建筑结构（包括永久性埋入式库房）及各种防护措施，总库区的内、外部安全距离等，必须符合国家有关规定。 井上、下接触爆炸材料的人员，必须穿棉布或抗静电衣服。 第二百九十六条建有爆炸材料制造厂的矿区总库，所有库房贮存各种炸药的总容量不得超过该厂1个月生产量，雷管的总容量不得超过3个月生产量。没有爆炸材料制造厂的矿区
总库，所有库房贮存各种炸药的总容量不得超过由该库所供应的矿井2个月的计划需要量，雷管的总容量不得超过6个月的计划需要量。单个库房的最大容量：炸药不得超过200ｔ，雷管不得超过500万发。 地面分库所有库房贮存爆炸材料的总容量：炸药不得超过75ｔ，雷管不得超过25万发。单个库房的炸药最大容量不得超过25ｔ。地面分库贮存各种爆炸材料的数量，还不得超过由该库所供应的矿井３个月的计划需要量。 第二百九十七条开凿平硐或利用旧平硐作为爆炸材料库时，必须遵守下列规定： （一）硐口必须装有向外开的2道门，由外往里第一道门为包铁皮的木板门，第二道门为栅栏门。
材料科学基础重点总结 5材料的强化途径
材料的强化 强韧化意义 希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得。提高材料的强度和韧性，节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命 提高金属材料强度途径 强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高强度可通过以下两种途径： 1 完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度 2 大量增加材料内部的缺陷，提高强度 增加材料内部缺陷，提高强度，即在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动 四种强化方式： 固溶强化 细晶强化 形变强化（加工硬化) 第二相粒子强化 实际上，金属材料的强化常常是多种强化方式共同作用的结果。 材料强度 缺陷数量 冷加工状态 退火状态 无缺陷的理论强度 材料强度与缺陷数量的关系
固溶强化：当溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体时，使材料强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。 强化本质：利用点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使金属基体获得强化 强化机理：1溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上的运动的位错有阻碍作用；2位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。 影响因素 不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别，影响因素主要有： 1 溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。 2溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 3间隙溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。 4溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。 固溶强化效果与溶质原子的质量分数成正比关系。大多数溶质原子在室温的溶解度比较小，为了提高固溶度从而提高固溶强化的效果，可以将其加热到较高温度，经过保温后快速冷却到室温，使溶质原子来不及析出而得到过饱和固溶体，这就是固溶处理。 经过固溶处理后还可以经过时效处理进一步提高其强度。对过饱和固溶体在适当温度下进行加热保温，析出第二相，使强度硬度升高的热处理工艺称为时效。时效硬化的本质是从过饱和固溶体中析出弥散第二相，属于第二相强化途径。 固溶和时效广泛用于有色金属的强化，如铜合金，铝合金，镁合金，钛合金等。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式 一．细晶强化 通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。 通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。 晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高； 细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。 细化晶粒的方法 1，增加过冷度； 2，变质处理； 3，振动与搅拌； 4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。二．固溶强化 定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。 原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。 影响因素 （1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。 （2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。 （3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。 （4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。 编辑本段程度固溶强化的程度主要取决于两个因素：1. 原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。2. 合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多