Механические свойства

К механическим свойствам кристаллов относят их твердость, спайность, отдельность и прочность, к которой относят сжимаемость, пластичность, хрупкость, упругость, ковкость и др.

Твердость

Твердость – это сопротивление царапанью, сверлению, давлению, шлифовке. Определенная работа, затраченная на преодоление этого сопротивления, может быть принята за меру твердости. Она характеризует внутреннюю силу сцепления материала. Для некоторых минералов (например, самородной меди) твердость определяется мерой пластической деформации. Для хрупких материалов – величина нагрузки, когда начинается их разрушение.

Абсолютная твердость определяется разными методами, например, методом вдавливания, царапанья, сверления, шлифования. Твердость, установленная разными методами несколько различается.

При определении твердости методом вдавливания используют стандартную по размеру алмазную пирамидку, которая с определенной нагрузкой вдавливается в минерал. Глубину вдавливания (отпечаток) определяют под микроскопом. Зная глубину лунки и величину нагрузки легко рассчитывают значение твердости (в МПа или кг/мм²). Прибор называется микротвердометром. Твердость минералов очень разная – от 2,4 кг/мм² (тальк), до 10 060 кг/мм² (алмаз).

Для практических целей быстрой диагностики используют величину относительной твердости, которая определяется методом, предложенным Ф. Моосом. Шкала твердости Ф. Мооса (1824 г.) состоит из эталонов твердости. В этой шкале каждый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий эталон.

1 – Тальк – Mg₃(Si₄O₁₀) (OH)₂

2 – Гипс – Ca(SO₄) ·2H₂O

3 – Кальцит – CaCO₃

4 – Флюорит – CaF₂

5 – Апатит – Ca₅(PO₄)₃F

6 – Ортоклаз – K(AlSi₃O₈)

7– Кварц – SiO₂

8 – Топаз – Al₂(SiO₄)F₂

9 – Корунд – Al₂O₃

10 – Алмаз – C

Иногда приходится ориентироваться на подручные «эталоны», хотя они и неточны – ноготь (тв. 2,5), стекло (тв. 5), нож (тв. 5,5–6). Результаты определения твердости зависят от характера поверхности, степень хрупкости минерала, степень его изменения – нужно испытывать только свежую поверхность. Начинать лучше всего со стекла – сначала им поцарапать минерал, затем наоборот. В полевой работе геолога стекло, перочинный нож и ноготь – главные «эталоны».

Твердость зависит от типа химической связи: у минералов с металлической связью она меньше, с ковалентной – больше. Твердость также прямо пропорциональна степени плотности структуры. Для минералов одной изоморфной группы изменение твердости подчиняется следующим закономерностям:

1. Твердость тем больше, чем меньше размеры атомов или ионов (так, твердость в ряду кальцит – магнезит увеличивается от 3 до 4 (величина ионных радиусов изменяется от 1,00 Å у Са до 0,57 Å у Mg). Другим хорошим примером служит гематит Fe₂O₃ (6) и корунд Al₂O₃ (9).

2. Твердость увеличивается с увеличением валентности или заряда катионов, входящих в данный минерал. Так, натровая селитра (NaNO₃) и кальцит (СаСО₃) имеют одинаковую структуру, а размеры ионов Ca²⁺ и Na⁺ близки между собой. Однако твердость селитры равна 2, а кальцита 3.

3. Твердость возрастает с увеличением плотности упаковки. Это хорошо демонстрируется на примере различных полиморфных модификаций минералов, например, кальцит (3) и арагонит (4), графит (1) и алмаз (10).

Химический состав минерала также влияет на его твердость. Существуют следующие закономерности, связывающие твердость с химическим составом минералов:

1. Минералы, состоящие из тяжелых металлов, в частности золота, серебра, меди, ртути и свинца, обладают низкой твердостью, редко превышающей 3. Исключение составляют платина (4–4,5) и железо (4,5).

2. Для большинства сульфидов характерна низкая твердость (< 5). Исключениями являются сульфиды железа (пирит), платины (спёррилит), никеля и кобальта (арсенопирит и глаукодит) (6–7).

3. Твердость большинства водных минералов сравнительно невысока (<5)

4. Для большинства оксидов и силикатов характерна высокая твердость (>5,5); исключение составляют оксиды и силикаты тяжелых металлов.

5. Твердость галоидов, карбонатов, сульфатов и фосфатов сравнительно низкая (< 5).

Из общего закона анизотропии свойств следует, что грани различных простых форм могут иметь разную твердость, но и каждая грань неоднородна по твердости. Наиболее резко анизотропия твердости проявлена у кианита – дистена, значения твердости которого на разных гранях изменяются от 4 до 7.