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2019-1-25

定义硬度:从摩氏硬度计说开去

归档于: 数理科学, 地球科学 @ 1:56 pm

撰写这篇文章的缘起是上月北京的那次矿展。展会期间,一友人声称他既然是学习地质古生物学出身,手头不来上一套摩氏硬度计怎能说得过去,于是本人就顺水推舟地将自己早欲转出的冰洲石、氟磷灰石和帝王黄玉塞给了他。又见一新手表示学习矿物学相关知识数月却仍旧不能理解硬度的概念,惊讶之余为其草草解释之,但事后想来硬度本身的定义又不是那么的简单。

按照Wikipedia的定义,硬度(Hardness)一词表示固体物质抵抗局域性永久形变的能力。这里的几个定语很重要,首先是固体,非要说固体比并无定型的液体或气体软,这就没有什么意义了;而要描述液体或气体的性质,粘性是更合理的选择。其次是永久,像弹簧伸缩这样当撤去外力后即可恢复原貌的弹性形变这里是不考虑的。再次是局域性形变,如果你说某种物质在整体施加外力后极易碎裂,因此硬度不行……嗯,号称最硬的天然材料——金刚石就是属于这种情况,因为这货具有完全八面体解理,但这并不能阻碍它在遭受局部刻划时的百毒不侵啊!

从微观上看,硬度是固体内部结构牢固性的一大表现。组成物质的原子/分子之间的作用力越强,硬度也就越高,比如组成金刚石的每个碳原子以强键力的共价键连接周边4个碳原子,因此强度极高;但同为碳组成的石墨就因为原子呈层状排列,层间以较弱的分子键相连,反而属于硬度最低的矿物之一。但对于金刚石来说,碳原子晶格在不同方向上的面网间距不同,在某个特定取向上的键力明显偏弱,解理就沿着这一方向伸展开去,晶体在整体遭受外力作用后,也格外容易就此破裂开来。

在日常生活中,一般人对各种材料的孰软孰硬还是有概念的。比如玻璃因为能够划伤木头,所以比木头更硬;指甲划过纯金即可留下痕迹,但划不动其他金属,所以纯金非常软。但是对于材料学、地质学、矿物学等学科的研究者来说,此等直观的比较未免有失严谨,为了方便同行的交流,业内需要一套统一的硬度衡量标准,所以不同的硬度指标问世了。

本人的豪华版摩氏硬度计!嗯其实根本就舍不得拿这些东西划来划去的好吗?!

矿物学最常用的摩氏硬度就是其中的一套指标。1812年(又有说1822年,懒得考证哪种说法是正确的了),德国地质学家Friedrich Mohs将10种常见矿物——滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉和金刚石依次定义为硬度的1-10(有点意思的是,这10种矿物在纯净状态下都是无色的,不知是巧合还是有意为之),要想知道某材料的硬度,将待测样品与标准矿物互相划刻即可,较硬的物质可以划伤较软的物质,反之则不行。而如果这种材料可以划动某一特定硬度X的定义石,却又可以被上一级硬度的定义石划伤,就将其硬度定义为X.5。

摩氏硬度对于地质工作者来说很实用。相关的检测设备体积不大,使用方法也不难掌握,因此就方便了野外考察期间利用硬度判断所采岩石或矿物样品的成分。在个人所见的矿物学书籍中,摩氏硬度是必然会介绍的概念。但这套定义实在说不上能有多严格。首先定义石的选择就颇有些随意的成分;其次,如果用于刻划的定义石样本不够纯净、棱角欠分明,又或者不是单晶,测试结果就难保准确(如石英的集合体硬度往往小于晶体),但满足条件的天然石不一定容易寻得;此外,带有小数点的硬度数值只意味着硬度介于上下两种定义石之间,很难判断其精确值。

所以一些更新更现代的硬度定义首先要引入固定的参考标准,如借助标准研磨法改善摩氏硬度的Woodel硬度。与摩氏硬度一样,Woodel硬度也是所谓的“刻划硬度”,考察的是某种材料在遭受锐物摩擦时的永久性变形能力,通过假设石英硬度为7、刚玉硬度为9再对实验结果进行插值,得到了高达42.4的金刚石硬度。还有一种衡量软硬的方式是借助“压入硬度”,使用一种预先确定好的硬质锐物挤压(而非刮擦)样本,再测量样本上留下的凹坑大小,并由此计算出硬度数值。这种方案在工程领域应用颇广,测量方法简单易行的维氏硬度是其中最流行的一种。

维氏硬度测量所用的金刚石压头特写。(图片来源:Wikipedia

维氏硬度的测量设备是一颗被打磨成金字塔状的金刚石,它可以对样品施加近乎各向同性的压力,而且最终的硬度计算与金刚石的大小无关。这种硬度的表示要比莫氏硬度复杂很多,通常是xxxHVyy/zz的格式,其中xxx代表硬度数值,yy是压头施加的千克力大小,zz代表施力时间(测试的标准时长是10到15秒,如果再延长施力时间硬度有变的话,则要加注zz)。

相对维氏等现代标准来看,莫氏定义石的硬度分布十分不均匀,尤其是金刚石与刚玉之间的差异相当惊人,甚至比刚玉同滑石之间的区别还要大数倍。不过硬度介于摩氏9-10之间的天然物质屈指可数,想充分认识不同矿物的真实硬度,也实在是难为200年前的古人了。

摩氏硬度相对维氏硬度的关系。

此外还有一种思路是“回弹硬度”又称动态硬度,关注的是从固定高度抛下的镶金刚石锤尖在材料表面引起的回弹高度,与物质本身的弹性相关,不过本人对其所知甚少,不再多说。要注意的是,宏观物体的力学性质还是很复杂的,所有这些硬度测试之间都不具备简单的转换关系。

另外对于同一种材料而言,不同的粒度也会影响硬度,随着粒度的减小,硬度大体是先升后降。但这一条只对纳米级的小颗粒成立,宏观块体就免了。

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