虽然矿区钻孔设计和操作规程等技术文件中都把硬度作为选择钻头胎体的唯一依据，但是有经验的司钻和钻探工程师都知道，胎体除了要有合理的金刚石含量和一定的耐磨性外，还应具有足够的强度和承受动载的能力，具有耐热性和一定的体积膨胀系数等性质。某些研究者甚至认为，胎体硬度仅是评价胎体(热压烧结法和浸渍法)质量的一种间接方法而已，把它作为评价钻头耐磨性的唯一依据是不科学的。但遗憾的是，到目前为止，除了硬度和建议的操作规范(冲洗规程)之外，至今尚未提出评价胎体性能的具体准则，更没有行业管理部门对这一问题加以重视。
针对上述情况，考虑到合理评价胎体性能对发展坚硬岩石钻探技术的最大意义，乌克兰超硬材料研究所曾经列专题来研究胎体的耐磨性评价方法。具体方法是，让胎体材料试样与用石英砂或人造氧化铝颗粒制成的标准磨块接触对磨，测定对磨过程中单位高度磨耗量上其摩擦路径的长短。
胎体试样的磨损试验在乌克兰超硬材料研究所研制的专用设备上进行。某些胎体的耐磨性值列于表5－4。
表5－4 某些胎体材料的耐磨性
为了查明胎体耐磨性与所钻岩石研磨性的关系，超硬材料研究所提出了一种选择胎体材料新方法的思路，通过分析研究钻进过程中由岩块分离下来的岩屑颗粒的研磨性和胎体的耐磨性，并确定这些判据之间的关系，来为选择胎体材料提供依据。
如前所述，孕镶钻头的胎体是由胎体材料和金刚石组成的结构不均匀的混合物。在磨损过程中，应保证这个混合物中每一粒金刚石都承担一定的切削或磨削工作量，同时其自身的磨损量又较小。如果胎体处于这种状态，那么很清楚，胎体材料的磨损强度将随着使用过程中钻头上金刚石的磨损强度而变化。有些观察到的现象可以作为这一点的间接证据，即胎体金刚石的饱和度越小，钻头遭受异常磨损的几率越大。如果金刚石的饱和度合适，则金刚石在包围它们的胎体材料中会形成重叠区。重叠区的存在会影响本切削环和相邻切削环上的岩屑颗粒的大小，从而间接影响胎体材料和金刚石的磨损量。
要想计算金刚石与孔底岩石摩擦时的具体磨损强度是非常困难的，因为它取决于金刚石自身的性能，钻进规程，设备状况，钻头的结构特性，岩石的物理力学性质等因素。可以用每米钻探进尺的金刚石耗量(克拉/m)作为评价浸渍法制造的孕镶钻头寿命的准则。
在一般情况下，材料的磨损强度可以用被破碎的体积与消耗的功之比ωa来表示。所以我们计算金刚石磨损强度时，要考虑工具的结构特性，钻进规程参数和单位进尺的金刚石耗量:
人造金刚石超硬材料在钻探中的应用
式中:ωa为金刚石的磨损强度，mm3/N·m;q为每米钻探进尺的金刚石耗量，克拉/m;Vm为机械钻速，m/h;Nk为1立方厘米胎体中的金刚石数量，克拉/cm3;D和d分别为钻头的外径和内径，cm;n为钻头的转速，r/min;P为轴向载荷，N;μ为金刚石与岩块的摩擦系数。
上述参数的取值，通常在地质勘探单位的定额技术文件和钻头的出厂说明书中都会提到。
为了使金刚石孕镶钻头在整个使用过程中发挥效果，必须保障金刚石在岩石破碎过程中均匀出露，这样就能保持它们在胎体上有最优的出刃量。由此应做到，破碎岩石时金刚石的磨损强度应等于胎体材料与岩屑摩擦时的磨损强度:
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式中:ωa，ω分别为金刚石和胎体材料的磨损强度，mm3/N·m;f1为考虑胎体材料所占体积和钻头工作层中金刚石所占体积的比例系数。
通过试验研究确定的胎体耐磨性与岩屑研磨性的关系，可用于定量评价它们的磨损情况(图5－8)。
这样一来，在给定情况下选择胎体材料的方法可简化为计算必需的金刚石磨损强度，确定岩屑的研磨性能，并根据图表来选择与计算磨损强度对应的具体材料。
利用复杂系统热力学原理为研究钻头耐磨性开辟了新途径。可以采用熵这样的基本概念作为评价准则。在这种情况下，钻头胎体表面可以看作是一个与外部环境有物质、能量和熵交换的热力学体系。当工作唇面出现敏感的微损伤时，表层局部区域积聚的内部能量将使它产生临界变形。随着材料的变形增大其熵也会增大。
钻头工作唇面达到临界熵值的时间周期取决于工具的结构特性和工艺参数:
图5－8 胎体材料耐磨性与岩屑研磨能力的关系
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式中:［S］为熵的临界值;S0为取决于胎体结构和工艺参数的胎体表层熵值;S(t)为描述稳定钻进过程中熵产生的函数;为达到临界熵值的时间间隔;t为时间。
由积分方程(5－45)可以看出，在钻进开始之前钻头胎体就有了一定的熵值，它来源于胎体的结构特性和制造工艺过程。此外，方程(5－45)还表明，胎体表面应具有在钻进过程中产生熵的能力。
钻头的胎体表面就是一个热力学系统，只有当外部对其施加某种影响时，才能根据该热力学系统的反应得出或估计它的客观信息。在钻进过程中，那些任何瞬时都存在于胎体与孔底之间的岩屑，正是对胎体工作唇面施加这种影响的来源。
为了保证钻进过程有效，应使金刚石钻头胎体单独与岩屑接触时，在其表面激活的熵值及其阶跃达到最优配合。
当然，如果能直接测量原始的熵值、激活的阶跃和胎体表面的性能，则以在钻进过程中相当准确地预报胎体耐磨性。但我们知道，熵是系统状态的函数，其值仅在热力学系统由一种状态转换为另一种状态时才会变化，因此，熵的值是测不出来的，而只能测出它的变化。
由此看来，在制造钻头时不可能估算出胎体表层熵的绝对值S0，在三个必需的参数中只能估算出两个。也就是说，在这个条件下定量确定胎体磨损值的任务无法解决，只可能按照某种标准对胎体材料的耐磨性进行排序。
必须指出，利用单独与岩屑接触过程中产生的两个参数(熵值和激活的阶跃值)来反映钻头胎体的使用特性，也可以相当客观地对不同材料进行对比。
于是，如果对比两个胎体的耐磨性优劣，那么其中耐磨性更好的是激活的阶跃较高者，因为在熵积累过程的初始阶段在其表面需要施加更大的力。对比两个胎体激活的阶跃高度时，耐磨性更好的是其产生的熵较小者。在这种情况下，熵达到临界水平之前应有更多的变形作用，因此在地质技术条件不变和钻进过程稳定的条件下，需要较长的时间。
正是这些有用的特性，可为我们在研制胎体组成及其制造工艺时开辟一条提高其耐磨性的新路径。
为了估算金刚石钻头胎体工作唇面的热力学性能，可以利用硬度计探头产生的应变作为判据。因为在这种情况下，被激活物体表层的线性尺寸变化可与它在钻进过程中遭受的岩屑作用相提并论。
测硬度时硬度计探头的振荡曲线可以划分为几段，在其中每一段范围内主要会出现下面两个过程之一:硬度计探头产生系统变形，或仅是出现表面刻划。
当硬度计探头作用于所研究样件并产生系统变形时，在变形的过程中将会积累弹性能。而刻划反映的是硬度计探头出现的弹塑性变形过程，它是由于此前积累的能量所致。这时，硬度计探头振荡曲线的峰值可以看做是沿所研究表面激活阶跃的分布特征。
当表面出现塑性变形时，描述熵形成的消散函数可写成下述形式:
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式中:S为熵;t为时间;F为作用于硬度计探头上的力;V为硬度计探头相对于表面的位移速度;T为温度。
如果刻划过程中的作用速度很小，那么:
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因为所研究试样的线性尺寸与其变形量相比非常大，所以可认为在刻划路径上试样仍处于热稳定状态。
使用硬度计探头的线位移传感器时:
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式中:l(t)为刻划过程中硬度计探头与它中心位置的偏差;V0为试样工作台相对硬度计探头的位移线速度(在传动速率一定的前提下)。
如果硬度计探头的振荡速度明显超过工作台的位移速度，则可以忽略(5－49)式中的V0。于是，把(5－48)和(5－49)式代入(5－46)式，并考虑到(5－47)式，经过变换可得:
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由此，对l(t)曲线进行离散化处理后
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式中:n为硬度计探头振荡曲线的点数;li为硬度计探头在摩擦曲线第i个点的位移;Δli为硬度计探头的位移变化;
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μ为刻划过程中硬度计探头的中间位置。在n相当大的情况下
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考虑到这是一个中心对称的离散随机过程
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式中:D为方差。
我们可得出
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这就是说，在胎体表层产生塑性变形时，形成的熵值与硬度计探头的方差成比例，而硬度计探头的振荡方差本身就反映了比熵的特征(两次读数之间在刻划路径单位长度上产生的熵)。
总结以上导出的结果，可以为评价钻头胎体特性提出新的准则γ。它由硬度测量的结果确定，并且是沿刻划路径激活阶跃A的平均值与硬度计探头在刻划过程中偏离其中间位置的均方差σ之比
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因为 ，那么上述准则明显地表示面上激活的阶跃值比由胎体材料塑性变形产生的熵大多少倍。此外，上述准则对于所用装置的增益性能具有不变性，从而适于对比在不同结构仪器上所得出的结果。还必须指出，永远有γ>1，因为A>σ。
选择钻头制造工艺时，必须努力追求上述准则达最大值，因为在这种情况下不仅激活的阶跃值大，而且产生的熵值较小，从而能保证胎体的耐磨性最大。
在一般情况下，式(5－45)～式(5－51)被推荐用于计算硬度计探头振荡速度的矢量模和加载的力。不过它们的实际记录工作量相当大，因为必须在保证记录系统垂直和水平刚度的基础上监测硬度计探头在两个方向上的位移及其矢量和。
为此，在УИМ－21显微镜基础上研制了用于硬度测量的仪器，仪器的电子电路使其可以方便地与计算机连接，以便自动采集和处理信息。它可保证硬度计探头的振荡仅发生在水平面上，并记录相应的切向力。这样就可以仅考虑一个方向振荡在材料表面产生的熵，并允许在式(5－45)和式(5－46)中只使用硬度计探头记录的切向力。
借助上述方法进行了3种金刚石钻头胎体材料的耐磨性分析，它们的试样用未加入金刚石粉末的批量生产工艺制成:含浸渍铜的YG－6、МЗ－21和МП－9。
硬度测量时采用120°刃角的圆锥形硬质合金硬度计探头，试样的位移速度2.5mm/min，垂直载荷400N。
在刻划过程中，硬度计探头的振荡曲线记录在电子计算机的内存中并用专用软件进行处理，计算出每个试样激活阶跃的平均值、刻划路径上探头的振荡均方差和γ准则的大小。
硬度计探头刻划胎体材料的振荡特性实验结果示于表5－5。表中的数据表明，所研究的胎体材料无论是激活的阶跃，还是在其表层产生的熵值都有着本质区别。在这种情况下，熵值与激活的阶跃高度成反比。
表5－5 实验研究结果
根据算得的准则值γ可以确定，在对照的钻进条件下耐磨性最好的是含浸渍铜的YG－6胎体材料。这可解释为，因为该胎体材料激活的阶跃最高，而产生的熵值最小。实验结果告诉我们，选择这样的胎体材料制造的钻头可推荐用于钻进坚硬、高研磨性的岩石。显然，含有其他粘结剂的胎体(参见表5－5)可用于钻进研磨性较小的岩石。