Твердость алмазов

Под твердостью тела (минерала) подразумевается степень его сопротивления механическому воздействию.

Твердость обусловливается силами сцепления между соседними частицами твердого тела.

Приближенно твердость минералов определяют методами, основанными на царапании кристалла каким-либо предметом или одного кристалла другим. В 1822 г. австрийский минералог Ф. Mooc предложил таблицу (шкалу) твердости минералов.

Шкала Mooca состоит из 10 стандартных минералов, расположенных по возрастающей твердости.
Каждый минерал этой таблицы царапает предыдущий и царапается последующим минералом. Особое положение занимает алмаз, царапающий все минералы, приведенные в таблице; на гранях же самого алмаза ни один из известных минералов не способен оставить царапину.

Твердость кристаллов определяется по шкале Mooca следующим образом. Если на кристалле, твердость которого необходимо определить, оставляет царапину минерал, соответствующий пятому номеру шкалы (апатит), а сам кристалл царапает минерал, соответствующий четвертому номеру таблицы (флюорит), твердость определяемого минерала равна 4,5. Если твердость определяемого минерала ближе к твердости флюорита, берут значение 4,25, а если она ближе к твердости апатита — значение 4,75. Шкала Mooca обепечивает определение твердости кристалла относительно известных минералов — эталонов шкалы.
Чтобы определить твердость кристалла в абсолютном значении, используют прибор, разработанный советскими учеными М.М. Хрущевым и Е.С. Берковичем (рис. 40).

В испытуемый образец под определенной нагрузкой вдавливается острие маленькой четырехгранной алмазной пирамиды, и по величине получаемого при этом отпечатка судят о твердости материала. Прибор Хрущева — Берковича представляет собой микроскоп, на тубусе которого смонтированы осветитель и корпус установки алмазной пирамиды. Столик микроскопа 4 может поворачиваться на 180° так, что образец, сначала помещаемый под острие алмазной пирамиды, после поворота переходит в поле зрения микроскопа 2, где и измеряется полученный отпечаток. Под определенной нагрузкой (от 2 до 200 г) алмазная пирамида вдавливается в образец. Микротвердость характеризуется числом, равным отношению нагрузки к боковой поверхности полученного отпечатка, и определяется по формуле:
где а — угол между гранями алмазноипирамиды, равный обычно 136 ; Е — нагрузка, кГ; d — диагональ отпечатка, мм. Полученные числа твердости имеют размерность в кГ/мм2. Минералы-эталоны шкалы Mooca — имеют следующие значения твердости:
Твердость одного минерала в различных направлениях различна, что объясняется анизотропностью монокристаллических тел. Максимальную твердость в кристалле имеют грани или направления, в которых атомы расположены наиболее плотно. И даже на одной грани кристалла в различных направлениях микротвердость имеет различные величины. Так, например, кристалл алмаза имеет не только разные величины микротвердости по плоским сеткам куба, ромбододекаэдра и октаэдра, как было указано выше, но и в каждой плоской сетке есть направления с изменяющей твердостью (рис. 41) — мягкие и твердые направления.

В плоской сетке куба (рис. 41, а) атомы расположены сравнительно редко и образуют между собой по сторонам расстояния, равные а, а по диагонали aV2/2. Следовательно, в плоской сетке куба алмаз будет легче всего шлифоваться по направлениям, параллельным сторонам квадрата. Таким же образом можно определить направления, по которым алмаз хорошо шлифуется в плоских сетках ромбододекаэдра (рис. 41,б) и октаэдра (рис. 41, в).
Известно, что твердость у алмазов разных месторождений неодинакова. Например, твердость австралийских и бразильских алмазов выше твердости южноафриканских алмазов.

Микротвердость алмаза может изменяться под влиянием нейтронного облучения. Наибольшие изменения твердости наблюдаются в плоской сетке октаэдра и наименьшие — в плоской сетке ромбододекаэдра. Изменение твердости в этом случае объясняется ослаблением межатомных связей кристаллической решетки под воздействием быстрых нейтронов.