如今油田和礦山使用的硬質合金球齒的確是高質量的工程材料。每種牌號的球齒都具有其獨特的適用於特定的設計和條件的效能。本手冊討論了一些常見的失敗問題以及與之相關的材料特性。
本手冊旨在給此領域工程師提供實踐指導作用，他們可以利用低倍顯微鏡工作。考慮到這點，本手冊特意刪減了大部分高倍率或電子掃瞄**，而低倍**比較容易用在此方面作對比。本手冊討論了七種型別的球齒失效方式，它們並不包括所有的失效方式，也沒有述及多失效模式，既多種失效機制同時進行。
但是，仔細鑑別和觀察斷口，也許可以發現一種改進鑽頭效能的解決方法。本手冊中七種失效方式分別是：
1. 磨損
2. 破裂
3. 熱衝擊
4. 圓錐面以下斷裂
5. 剪下損壞
6. 表面裂紋產生及生長
7. 剝落
型別1——磨損
因為在球齒上沒有發生過量破裂，從球齒上觀察的是全部的預期壽命，所以磨損被認為是以切削機理破壞。圖1所示是典型的具有光滑表面的區域性磨損的球齒。
圖2展示了新的結果，平坦磨損。完全磨損球齒顯現平坦的並且幾乎與圓錐面齊平。
根部排列的球齒，不是平坦的磨損，而將是如圖3所示經常在外緣剩下平坦的磨損齒背。
正常磨損是通過在被鑽的岩石中硬礦物質穿透球齒中的軟粘結相部分發生切削作用並帶走了球齒中的一小塊，在載入期間，球齒面對岩石的相對運動和接觸面積越大，所觀察到材料磨損就越大，同時在球齒表面可觀察到相當深的刮痕或磨損標誌，如圖4及圖5所示。
如圖6所示的重刮痕表面，可推測它是在不正常操作情況下鑽頭的過度滑動磨損而產生的。
如果球齒上存在較少或沒有破裂，則鑽頭壽命取決於磨損，提高材料耐磨性是有益處的。
耐穿透性就是通常所說的「硬度」測定。這個效能是通過材料抵抗標準載荷下金剛石壓頭壓痕或穿透的能力。這種型別的通用測試是洛氏硬度測試，測試產生的資料稱為洛氏a硬度。
這些資料與這方面材料的耐磨性密切相關。
在硬質材料製造之前，必須仔細觀察以確信沒有其它失敗機理。除了平滑的、平坦磨損麵外，表面破壞還可以顯示出其它的破壞機理，如剝落、剪下這些緊隨著磨損發生。較硬的碳化物的移動能嚴重地惡化其它材料損壞機理，如果已經作用，將導致鑽頭效能顯著降低。
型別2——缺陷破裂
缺陷破裂通常在鑽頭的早期壽命中呈現出來。也可以稱作「早期破壞」。這種型別的損壞是由破裂引起的，該破裂由載荷迴圈在硬質合金中的缺陷處產生應力集中而引起的，由這種型別損壞產生的斷口標誌是很特殊的，並容易辨別。
由於這種損壞是由硬質合金內部缺陷引起的，裂紋源在合金內部而不是與球齒外部相連，斷口表面將呈現如圖8所示的幾種截然不同的標誌型別。斷口的光滑部分稱作「鏡子面」（圖8中的標誌b），粗糙部分（圖8中的標誌a）稱作「鋸齒」，引起損壞的缺陷（圖8中的標誌c）總是「鏡面」的中心區域。鏡面，或者光滑平坦部分，僅有少量或沒有枝狀裂紋，因為在損壞的早期階段，裂紋的擴充套件是很慢地，僅有足夠能量在單一地方線性擴充套件。
鋸齒型裂紋或從初始點擴充套件到的最遠區域，它呈現一粗糙斷口，具有明顯散射狀圖形。分支和散射區域圖形是裂紋以高速徑向擴充套件的結果。
引起損壞的缺陷越大，斷口的鏡面部分也越大，如圖9所示。缺陷損壞僅是呈現出這些損壞的特徵，並且僅是在球齒內部開始破壞的諸多態別中的一種。
因為沒有材料能做得完美無缺，因此所有的球齒都有一定程度的缺陷。在通常條件下，這些缺陷小且數量少，不足以引起較大的問題。如果由於極端的工作環境或質量問題而產生缺陷使鑽頭壽命縮短，可採用以下幾種補救措施。
首先如果它確實是質量問題，賣方代表應盡快地正確處理問題，然而如果損壞特別是由特別嚴酷的環境引起的，可通過材質和工藝選擇來解決問題，可用較韌的材料（具有較高的臨界應力強度引數k1c），或許犧牲一些耐磨性。材料韌性越好，破裂損壞的敏感性越低。為了減少缺陷的大小及其存在的數量，可給球齒施加乙個燒結－熱等靜壓燒結週期，它在一次操作中結綜了熱處理和熱等靜壓操作，或者在燒結後處理即熱等靜壓。
對低鈷牌號，熱等靜壓尤其重要。如果確定辨別是裂紋損壞，上面概述的解決方法之一就可解決問題。
型別3——熱衝擊
在所有型別的鑽探中，包括油田、礦山、水井、風洞等，都曾觀察到鑽頭的熱衝擊損壞。，在大約右角位置，它的唯一破壞機制是產生一種與眾不同的雙軸或由幾條交叉近直角的裂紋，如圖11所示。在乙個球齒表面上能觀察到從僅幾條到數百條的裂紋。
熱衝擊破壞可通過鑽頭設計降到最小量，即減少鑽探時球齒和岩石接觸的時間。
這種損壞模式機理是在熱的球齒表面迅速冷卻產生了平面應力。應力釋放是通過在某一方向產生裂紋的方式實現的，最高殘餘應力與初始裂紋相垂直，因此，進一步釋放應力僅能發生在初始裂紋的垂直方向。這種型別的熱應力場的範圍很短，並隨裂紋向深處擴充套件而迅速減弱，在表面下0.
01英吋到0.1英吋之間的深度上裂紋變得穩定，此時球齒的總穩定性是材料抵抗這些裂紋進一步擴充套件的函式,或者稱為材料的韌性，可定義為材料承受裂紋擴充套件的的能力。用作表明材料韌性特徵的效能是臨界應力強度引數k1c。
熱裂紋的視覺結果是在球齒表面形成一種半穩定的大量相互交叉的裂紋。合金表面發熱是由合金滑過岩石產生摩擦引起的。水或其它流體的冷卻使合金得到「淬火」。
因此被鑽的岩層型別對熱裂紋的機理上有很大影響。熱裂可在某些區域存在一些而其它地方不存在。支撐角、鑽頭設計（偏移），尤其是鑽探方法（ppm，鑽頭重量和底部清潔效率）等因素在熱裂紋損壞中都可能是主要因素。
如果熱裂繼續擴充套件，將觀察到如圖13和14所示的碎裂特徵。嚴重情況下熱裂紋將導致整個球齒的損壞。
就材料本身而言，熱裂常常可通過選用較低的熱膨脹係數硬質合金而減少。熱膨脹係數隨著材料中鈷含量的降低而降低。在改變球齒的鈷含量前，其它引數必須改變以保證維持材料因素如硬度。
如果由於形成型別或其它因素，熱裂不能全部消除，遭受熱裂部位的球齒可通過鑽頭設計加以調整，使球齒露出最小的區域。
型別4——表面下斷裂
表面下斷裂通常垂直於球齒軸向呈光滑、不顯著的表面特徵。可以看到鑽頭中孔洞的裂紋位置從靠近球冠表面一直向內部延伸到很深的位置，如圖15所示。這類破壞是典型的由於鑽的洞不圓，硬質合金球齒上有裂片，或在球齒柱體內有缺陷的結果。
如果硬質合金球齒與孔裝配不適，則沿著球齒柱體的某一點「受擠壓」能產生大的拉應力，這些應力是短距離的，因為一旦裂紋從「受壓」區已經產生動，裂紋進一步擴充套件的驅動力很低。如果產生裂紋，它將以少量或沒有分支緩慢地擴充套件，最終形成一光滑表面，如圖16所示。在圖16中，朝著裂紋端點出現了乙個輕微的凸起（凸處），這是由球齒頂部被拔出洞時彎曲引起的。
如果斷裂初始位置發生在洞內很深的位置，裂紋可朝上傳播，導致球齒頂部直接破裂。這種型別的損壞在斷口表面將產生一朝下的尖點，如圖17所示（從球齒較低的位置朝上傳播形成裂紋分支）。圖18示出了朝尖點型破裂裂紋路徑。
在表面下產生裂紋，球齒柱體隨著裂紋平行於球齒軸向運動，將裂成兩塊或更多大塊。回顧從裂紋源到向下的尖點過程，可看到乙個垂直於球齒軸向的拐點，這個拐點的另一端無疑是裂紋源。在一些情況下，裂紋的初始處或「受壓」點能通過仔細的外表檢查確定。
通過下列條件保障能解決這些問題：
1）.硬質合金球齒研磨不產生凸起或不圓的條件或研磨裂紋。
2）.鑲嵌孔是圓的並沒有斜度，
3）.洞底部給球齒適當的墊片，使不產生衝擊。
型別5——剪下損壞
在這裡經常觀察不到剪下損壞。如果這種損壞發生，結果將使鑽頭壽命很短。產生的斷口表面很亂，缺乏明顯的特徵。
斷口通常與球齒軸線方向成一角度，球齒的球冠兩邊角部位對這種損壞方式十分敏感。圖19所示為剪下損壞一例，並且圖示了裂紋起始點。如果斷面在損壞後短時內觀察到，它將呈現有光澤的外貌。
為了確定剪下損壞，必須做到仔細觀察斷口表面，因為從正常剪下部位脫離下來的小塊會呈現拉伸損壞的模式，這是由於插入作用，如圖20所示，圖21為解釋示意圖。
假如估計是剪下損壞，則鑽頭的同一排任何相對未損壞的嵌塊橫截面會在拋光的表面上產生次表面上的空洞 ，如圖22所示。這經常在高載荷區域觀察到，例如橫刃嵌塊拐角。次表面上空洞的形成是超過球齒承受極限的壓應力與剪下應力的重複作用的結果。
當用一較低硬度的硬質合金體在高載荷條件下鑿一很硬的岩石時，就有可能產生剪下損壞。當嵌塊是非圓形時尤其如此。
矯正方法有：
1）.換一更圓的圓頂型合金；
2）.在鑽鑿時（鑽頭設計）時用一較輕載荷條件，或者
3）. 改用一較高硬度的硬質合金。
如果改用較高硬度的硬質合金，必須注意的是要確保損壞模式確認無疑，否則，較高硬度的硬質合金可能導致相反的結果。正確分析情況下用較硬材料將導致鑽頭壽命提高。
型別6——表面裂紋的產生和生長
鑽頭損壞機率最大的是由於表面裂紋。它可被認為是一「常規」損壞模式。在很多情況下，損壞的真正起始區可以在斷口組織的痕跡裡觀察到。
初始裂紋產生在最高的壓強載荷和快速岩石破碎區域。這些裂紋的形成是由於幾種特殊機理，例如鑽頭設計特徵、鑽鑿形式，隨嵌塊位置而定。在某排中所有嵌塊產生裂紋的原因相似。
通過測試幾個嵌塊損壞的不同時期，常能確定向下破裂過程的本質。
如圖23所示，當形成時小的表面裂紋時，能通過間歇的高載荷或如疲勞損壞的其它機理增長到臨界尺寸，這種斷續的裂紋增長可通過斷口表面看到的裂紋阻止線辨別，這些阻止線在遠離裂紋源上彎曲，並且在方向上或裂紋擴充套件原始狀態呈現明顯的改變。在嵌塊上看到的阻止線的數量可以從很少到很多，如圖24所示。。
由彈性波產生的裂紋是很難辨別的，沒有巨大的特徵變化和從彈性波線一邊擴充套件到另一邊產生大的方向變化。
一旦臨界裂紋尺寸達到了一特定載荷和應力狀態，嵌塊將遭受嚴重破壞。由於擴充套件裂紋從嵌塊的上面朝下發展，它能旋轉朝著球齒圓頂的一邊使球齒一部分崩裂，如圖26所示。比較典型的，它在向下擴充套件時遇到球齒壓入基座中產生的壓力。
由於裂紋不可能在壓應力區擴充套件，所以它必須轉向，並沿著圖27所示的路徑平行於錐殼表面進行擴充套件，這樣，球齒的大部分就可能脫落，如圖28所示，為鑿岩結果殘留的斷口。無論如何，斷口在靠近相交的斷口表面呈現一向上的尖點。這種損壞的典型實例如圖29和30所示。
在大部分破裂的球齒中，如果不存在這種交叉線，就應懷疑存在其它的損壞機理。
由於表面裂紋源引起球齒損壞，通常可通過提高材料的韌性（高的k1c）來改變，此時微小裂紋是穩定的，幾乎不可能擴充套件。裂紋起始機理，應考慮用較高韌性材料，尤其是在熱裂或剪下損壞較為嚴重的情況下。
型別7——剝落
剝落是以各種不同尺寸的薄片或碎屑從球齒表面連續掉下。甚至是球齒沒有嚴重損壞的情況下完全由快速地剝落而使鑽頭的壽命出其不意地縮短（圖32）。
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