Как определяют твердость камней и минералов

Время на прочтение статьи = 14 минут

Камни и минералы обладают различными физическими и химическим свойствами, которые отличают их друг от друга. Твердость минералов – один из важнейших физических параметров, который влияет на определение его ценности для тех или иных сфер промышленности. Одна из распространенных шкал для определения их твердости – шкала Мооса, но она далеко не единственная. Сегодня мы поговорим о методах определения твердости алмаза и других минералов. Читайте следующую статью.

Твердость минералов

Твердость минерала – это способность его противостоять механическому воздействию – царапанию острым инструментом или другим минералом. Твердость определяется различными способами: царапанием, вдавливанием, шлифованием и др. Существуют две шкалы твердости – относительная (по Моосу) и абсолютная.

Твердость минераловТвердость минералов
Твердость минерала – это способность его противостоять механическому воздействию существуют две шкалы твердости относительная по Моосу и абсолютная.

Для практических целей пользуются эмпирической шкалой твердости, предложенной в начале XIX в. австрийским минералогом Моосом. В 1811 году немецкий минералог Фридрих Моос (1773-1839) выбрал 10 минералов, приняв их за эталонные, и устроил им «экзамен», царапая друг о друга. Более твердые минералы, рассуждал Моос, должны царапать своих противников, а более мягкие царапаться ими.

Определение твердости по шкале Мооса заключается в том, что минерал с неизвестной твердостью сравнивается с минералами-эталонами.Это свойство определяется следующим образом. На поверхности исследуемого минерала выбирают гладкую площадку и, взяв минерал из шкалы Мооса, проводят им по ней под острым углом с нажимом. Если на поверхности исследуемого образца остается царапина, то его твердость меньше, чем у эталонного минерала.

В природе нередки минералы с твердостью, промежуточной между эталонными данными. В связи с этим возникла необходимость как-то обозначать подобные промежуточные значения твердости и их стали называть половинами. Например, твердость циркона называется семь с половиной и означает лишь то, что твердость промежуточная между семью и восемью.

Необходимо убедиться в том, что на исследуемом образце остается именно царапина (углубление), а не порошок эталонного образца. Используя последовательно эталонные минералы от самого мягкого до наиболее твердого, добиваются такого положения, когда испытуемый образец располагается по своей твердости между двумя эталонными или испытуемый образец царапается эталонным и сам царапает его. В первом случае твердость испытуемого образца оценивается средней величиной, во втором – равна твердости эталонного.

В природе нередки минералы с твердостью, промежуточной между эталонными данными. В связи с этим возникла необходимость как-то обозначать подобные промежуточные значения твердости и их стали называть половинами. Например, твердость циркона называется семь с половиной и означает лишь то, что твердость промежуточная между семью и восемью.
Определение твердости по шкале Мооса заключается в том что минерал с неизвестной твердостью сравнивается с минералами эталонами

Цифровая форма записи в виде простых дробей (7½, 6½) или десятичных (7,5, 6,5) может ввести в заблуждение несведущего человека и позволит ему предполагать, что возможна твердость, например, 7⅓ или 7,75, чего на деле зафиксировать не удается.

При отсутствии шкалы Мооса твердость минералов можно определить и другими способами. Так, у графита мягкого карандаша твердость около 1. минералы с такой твердостью пишут на бумаге, не оставляя на ней царапины. Минералы с твердостью до 2 царапаются ногтем. Железный гвоздь, проволока имеют твердость 4, медная монета 3-4, стекло 5, стальной нож, игла – 6. кварц, имеющий твердость 7, широко встречается в природе.

Минералы с твердостью 3, 4, 5 могут различаться и с использованием только ножа. В первом случае они легко чертятся острым кончиком ножа, во втором – для этого необходимо приложить определенное усилие, а в третьем – значительное.

Минералы с твердостью большей, чем у кварца (выше 7), встречаются относительно редко. Это группа гранатов, топаз, берилл, турмалин, корунд, алмаз. Последние два минерала – единственные с твердостью соответственно 9 и 10.

Чтобы определить твердость минерала, представляющего собой порошкообразный или землистый агрегат, необходимо потереть этим порошком эталонный образец, если последний покроется царапинами, то твердость эталона меньше, чем исследуемого образца.

Абсолютная твердость определяется при помощи твердометров (склерометров) путем вдавливания под нагрузкой Р (в кг) алмазной пирамидки квадратного сечения на ровную горизонтальную поверхность испытуемого минерала. С помощью вмонтированного в твердометр микроскопа определяют площадь d (в мм2) отпечатка от вдавливания пирамидки.

Твердость камней по шкале Мооса

В 1811 году тогда еще мало кому известный немецкий минералог-исследователь Фридрих Моос предложил свою шкалу для определения твердости различных минералов относительно нескольких эталонных камней.

Моос выбрал 10 самых основных минералов в качестве эталонов различной твердости и расположил их по возрастанию данного показателя от самого мягкого (талька) до самого твердого (алмаза). В итоге получился своеобразный рейтинг эталонных минералов, составленный по возрастанию твердости.

Ниже приводится их перечень с пояснениями по проверке каждого и примерами аналогов:

  • тальк (Mg3Si4O10(OH)2):  человеческий ноготь оставляет на тальке глубокие царапины. Такую же точно твердость имеет обычный графит в карандашах;
  • гипс (CaSO4•2H2O):  здесь ноготь оставляет царапины. Аналогичной твердостью обладают хлорид, слюда и каменная соль, известная также под названием «галит»;
  • кальцит (CaCO3) : царапается любыми заостренными медными предметами или железным гвоздем. Равная твердость у золота и серебра;
  • флюорит (CaF2) : достаточно легко царапается стальным лезвием ножа или осколком стекла. Такая же твердость определяется у доломита и сфалерита;
  • апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)): – с трудом царапается куском стекла и стальным лезвием ножа. Аналогичная твердость отмечена у лазурита и гематита;
  • ортоклаз (KAlSi3O8): – без усилий царапается любым бытовым напильником и царапает стекло. Твердостью «6» обладают также опал и рутил;
  • кварц (SiO2): – царапается топазом, царапает стекло. Та же твердость у граната и турмалина;
  • топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2): – царапается корундом и царапает кварц. Такая же твердость отмечена у берилла и шпинели;
Твердость камней по шкале Мооса
Моос выбрал 10 самых основных минералов в качестве эталонов различной твердости и расположил их по возрастанию данного показателя от самого мягкого талька до самого твердого алмаза
  • корунд (Al2O3) :– царапается алмазом и царапает топаз. Это твердость минералов группы корундов: сапфира и рубина;
  • алмаз (C) :- ничем не царапается, сам легко царапает все минералы, включая корунд. Аналогов по твердости среди минералов не имеется.

С помощью данного рейтинга легко определить относительную твердость любого минерала. Достаточно найти самый твердый из всех минералов, который может быть поцарапан камнем, чью твердость нужно установить. Второй способ – определить самый мягкий минерал, с помощью которого можно поцарапать этот же исследуемый камень.

Например, если какой-то минерал царапается топазом, но не кварцем, его твердость считается находящейся в интервале от 7 до 8 баллов по шкале Мооса. Промежуточные значения твердости записываются в виде дроби. Так, твердость хризоберилла равна 8 ?, это означает, что минерал примерно так же царапает кристалл топаза, как сам царапается любым камнем из группы корундов. При определении относительной твердости минерала нужно проводить испытания с его свежей поверхностью.

В специализированных лабораториях и некоторых ювелирных мастерских для определения твердости имеются «эталонные острия», которые представляют собой держатели с закрепленными в них кусочками минералов с известной твердостью.

В обычной жизни чаще всего возникает необходимость проверить ювелирные украшения с целью определить – вставлены ли в них натуральные драгоценные камни (их твердость обычно не ниже 7, как у кварца) или обработанные кусочки стекла. Это можно сделать с помощью надфиля – проверить, появится ли на вставке царапина от напильника. Чтобы не испортить украшение, испытание нужно проводить с невидимой при носке стороны камня.

Шкала твердости корунд

Корунд – верный спутник человечества. Мало кто догадывается о том, что камень, украшающий любимое кольцо, стекло дорогих часов и элементы наждачной бумаги в ящике для инструментов – это один и тот же минерал. Если сравнить их на первый взгляд, то в такое заявление очень сложно поверить.

Один переливается своими идеальными алыми гранями, другой прозрачен и безлик, а третий и вовсе дешевая серая крошка. Однако, все это – разновидности камня, известного под общим названием корунд. Он пронизывает различные сферы человеческой жизни, везде и всюду помогая и радуя нас.

Благодаря высокой твердости этот камень издавна использовался как абразивный материал, но в настоящее время в этих целях применяется в основном искусственный корунд. Наждак и поныне употребляется как абразив, для этих целей его по сей день добывают на древнейшем, известном еще с античных времен, месторождении на острове Наксос в Кикладском архипелаге (Эгейское море, Греция).

Шкала твердости корунд
Корунд верный спутник человечества особенно сапфир и в ювелирной промышленности

А также абразивный корунд добывается в США в Честере, штат Массачусетс, и близ Пикскила, штат Нью-Йорк. В России месторождение абразивного корунда расположено в Красноярском крае, однако наш минерал несколько отличается по составу от добываемого в Греции и США.

Прозрачные цветные корунды без трещин или почти без них представляют собой дорогие ювелирные камни, большинство из которых прекрасно известны всему миру. Красные корунды, окрашенные примесью хрома, называются рубинами, а синие, например, окрашенные примесью железа и отчасти титана – сапфирами.

Корунд – верный спутник человечества. Да что там короли, все человечество до того полюбило этот красивый и полезный камень, что научилось производить его искусственно. В настоящее время обычные и ювелирные разновидности этого минерала производятся в промышленных масштабах.

Искусственный рубин, получаемый в основном методом Вернейля или методом Чохральского, нашел применение как материал для твердотельных лазеров, часовых камней, осей и цапф точных приборов, и конечно же, в ювелирном деле. Искусственные сапфиры используются в осветительной технике, Корунд – верный спутник человечества особенно сапфир, и в ювелирной промышленности.

Самый твердый минерал по шкале Мооса

Еще в начале 19 века (а именно в 1911 году) известный и талантливый ученый в области минералогии Моос Фридрих впервые разработал специальную шкалу для определения твердости, названную в его честь.

По этой шкале этот параметр минералов определяется при помощи коэффициента твердости, который распределяется от 1 до 10. Очевидно, что у алмаза данный показатель составляет все 10 баллов. Хотя настоящую твердость данная шакала не определяет, однако является важным показателем. За основу своей шкалы Моос взял самые доступные на тот момент минералы и сравнил их между собой путем царапания.

На данный момент ученые экспериментируют в области создания камня или минерала, способного превзойти алмаз по своей прочности. На сегодня удалось, например, сделать карборунд. Это материал тверже корунда с твердостью 9, но все равно мягче алмаза. Это был самый твердый после алмаза минерал.

Сплавы сталей на сегодняшний момент также значительно отстают от рассматриваемого камня. Их твердости не превосходят 7,5 по шкале Мооса. Однако даже при таких условиях в некоторых производствах удается заменить алмаз на более дешевые сплавы сталей (для обработки различных деталей и т.п.).

Однако даже при этом факте прочность железа все равно определяют с помощью алмазных пластин, которыми врезаются в поверхность сплава. По создаваемой вмятине и определяют искомый параметр.

амый твердый минерал по шкале Мооса
На земле на данный момент крайне трудно отыскать что-то столь же твердое как алмаз

Но эксперименты продолжаются. Немногие слышали, но на данный момент есть так называемый лонсдейлит. Он был синтезирован учеными еще в 20 веке, хотя и встречается также в метеоритных останках и т.п. Этот материал (как ранее заявлялось) в полтора раза прочнее алмаза. Максимальное давление, выдерживаемое этой алмазной модификацией, якобы также на 55 ГПа больше. Но по факту это не так, хотя и есть способы сделать его даже в два раза прочнее алмаза.

Связанные с твердостью алмаза факты

Как все мы знаем, графит и его родственник алмаз состоят из одного и того же уникального элемента – углерода. Но при этом минерал получил оценку 10 из 10 по шкале Мооса, а графит – всего лишь 1. Секрет такого распределения прост – все дело в структуре камня, его кристаллической решетке. Ведь стоит атомам распределиться несколько иначе, как мы получим некое вещество с абсолютно другими значениями твердости и других параметров.

Для графита характерна слоистая структура, а для алмаза кубическая. Помимо твердости, в зависимости от вида связей атомов между самими собой, меняются также блеск, пластичность, даже внешний вид и многое другое. Тот же графит, например, обладает очень слабыми межатомарными связями.

Существует несколько предположений насчет названия камня, о свойствах которого уже очень давно знали наши предки. По одному из них «алмаз» происходит от греческого «адамас» («нерушимый»). По другой версии, от персидского «твердый» («ал-ма»). Ну а третья и вовсе отсылает нас к легенде об Элайзе, которая могла лечить людей от любых болезней, но своего возлюбленного спасти не успела. Из ее слез и появились алмазы, образованные от имени девушки.

Таким образом, на Земле на данный момент крайне трудно отыскать что-то столь же твердое как алмаз. Однако уже сейчас производятся материалы, превосходящие камень по своей прочности, способности к окислению и температурной устойчивости.

Что означает «твёрдость стали»

Первой шкалой для определения твёрдости стала шкала Мооса, имеющая несколько критериев. Помимо неё до наших дней дошли ещё 4 метода: по Бринеллю, по Виккерсу, по Шору и по Роквеллу.

Что означает «твёрдость стали»
Определение твердости стали основаны на принципе вдавливания эталонного образца индентора в поверхность металла

Все они основаны на принципе вдавливания эталонного образца – индентора, в поверхность металла. Основным отличием является форма и материал этого образца.

Наиболее простым и точным признан метод определения твердости по Роквеллу (именно этим методом мы пользуемся для оценки твердости Златоустовских ножей). В этом методе задействованы несколько шкал, имеющих следующие обозначения: A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T. Самой распространённой является шкала С (нагрузка 150 кгс, индентор — алмазный наконечник с углом в 120 градусов). Именно она и даёт величину этой таинственной характеристики – HRC.

Низкие значения твёрдости соответствуют метательным ножам, величины же порядка 56-58 HRC (hrc твердость)– хорошим ножам универсального назначения. Клинки высокой твёрдости 59-64 HRC присущи прочным ножам из дамаска или литого булата. Выбирая металл клинка следует учитывать и тот факт, что булатный и дамасский нож нельзя будет заточить простым приспособлением для кухонных ножей, хотя и заточку он будет держать не в пример долговечнее, чем вышеупомянутый кухонник из ножевой нержавеющей стали.

Для чего нужна шкала Мооса

Для камнерезчика очень важно знать твёрдость обрабатываемых минералов. Почему? Потому что от твёрдости камня в первую очередь зависит трудоёмкость его обработки (сколько времени и усилий будет затрачено на обработку минерала, какой инструмент понадобится, как лучше «раскрыть» камень…).

А для драгоценных камней твёрдость очень важна ещё и потому, что именно твёрдость определяет долговечность самоцвета, от твёрдости зависит долговечность сохранения полировки камня (в таких случаях говорят, что камень «хорошо держит полировку») и его блеск.

Что такое твёрдость минерала? В минералогии мирно со-существуют несколько определений твёрдости минералов, например, такое: твёрдость камня – это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать её другим камнем или иным предметом.

Для измерения твёрдости минералов делались попытки применить всевозможные методы, основанные на сопротивлении камней царапанию, истиранию, сверлению, деформации поверхности… Но все эти попытки не имели успеха. Нужен был простой, надёжный и всем доступный метод.

И вот наконец, чтобы упростить различение минералов по твёрдости, в 1811 г. немецким минералогом Фридрихом Моосом (F. Mohs) была предложена шкала твёрдости, которая широко применяется до сих пор, повсюду и всеми, кто работает с минералами, – геологами, минералогами, камнерезчиками, ювелирами.

Для чего нужна шкала Мооса
Шкала Мооса это минералогическая шкала твёрдости набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания

Эту шкалу стали называть шкалой твёрдости минералов, или шкалой Мооса. Шкала Мооса – это минералогическая шкала твёрдости, набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания.

В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости:

  • тальк, Mg3Si4O10(OH)2; царапается ногтем;
  • гипс (каменная соль), CaSO4.2H2O; царапается ногтем;
  • кальцит (известковый шпат), CaCO3, царапается медной монетой;
  • флюорит (плавиковый шпат), CaF2; царапается ножом, кусочком оконного стекла;
  • апатит, Ca5(PO4)3(F, Cl); царапается ножом, кусочком оконного стекла;
  • полевой шпат, KAlSi3O8; царапается напильником;
  • кварц, SiO2; 8. топаз, (Al2SiO4(OH, F)2;
  • корунд, Al2O3;
  • алмаз, C; самый твёрдый минерал.

Источники:

  •  http://netler.ru/slovari/minerals/mohs.htm
  • http://biofile.ru/geo/14962.html
  • https://www.gold585.ru/customers/publications/tverdost_kamney_shkala_moosa/
  • http://www.logoslovo.ru/forum/all_1/tag_7392_1/topic_4391/
  • https://lubikamni.ru/almaz/tverdost.html
  • https://zlatonozh.ru/faq/what-is-hrc.html

Добавить в закладки
Голосовать ПРОТИВГолосовать ЗА 0
Загрузка...
Добавить комментарий