Физико-механические свойства

Алмаз по десятибалльной шкале Мооса имеет максимальную твердость 10, превышающую твердость всех других природных минералов (табл. 3).

Таблица 3. Твердость алмаза и других минералов

Обладая высокой твердостью, алмаз в то же время хрупок. Последнее объясняется наличием у него спайности, т. е. способности раскалываться по определенным плоскостям. Перпендикулярно к этим плоскостям расстояние между атомами углерода в решетке наибольшее. Такие плоскости, "насыщенные" атомами, называются плоскими сетками. На рис. 4 схематично изображены основные плоские сетки в структуре алмаза (сетка куба, октаэдра, додекаэдра).

Кристаллы алмазов, как видно на рис. 5, имеют различные формы. Среди идеальных форм кристаллов наиболее распространены октаэдр - восьмигранник с гранями в виде правильных треугольников и ромбододекаэдр - двенадцатигранник с гранями ромбической формы; менее распространены кристаллы, имеющие форму куба. Встречаются и округлые кристаллы с искривленными выпуклыми гранями.

Рис. 5. Обычные формы кристаллов алмазов: Плоскогранные: а - октаэдр, б - ромбододекаэдр, в - куб, г - комбинация этих форм: кривогранные кристаллы: д - o октаэдроид, е - додекаэдроид, ж - гексаэдроид, з - комбинация этих форм

Из приведенных схем расположения атомов в плоских сетках видно, что число атомов, приходящихся на единицу поверхности плоских сеток, у разных кристаллов неодинаково. Неодинаковы и расстояния между атомами в различных направлениях одной и той же сетки. Максимальную плотность, а следовательно, и твердость имеют кристаллы алмаза с сеткой октаэдра, меньшую - с сеткой ромбододекаэдра и наиболее низкую - с сеткой куба.

Пространственное расположение сеток куба у ромбододекаэдра равномерное, а для сеток октаэдра характерно чередование малых и больших межплоскостных расстояний. Сближенные октаэдрические сетки близки между собой, поэтому их принято считать одной утолщенной сеткой. Межплоскостные расстояния между отдельными октаэдрическими сетками значительно превышают расстояния между другими сетками. 4 Этим и объясняется явление спайности алмаза по плоскостям, параллельным сеткам октаэдра.

Предел прочности на изгиб и на сжатие у алмаза ниже, чем у других абразивных материалов. Поэтому алмаз достаточно хрупок и при резком ударе раскалывается. При дроблении он сравнительно легко превращается в порошок, на чем основано изготовление из алмазов тонких абразивных материалов.

Износостойкость алмаза на истирание высокая и превышает стойкость корунда в 90 раз и в сотни - тысячи раз большие износостойкости всех остальных абразивных материалов. Алмаз с зеркально-гладкой поверхностью хорошо полирует любое металлическое изделие. Установлено, что износостойкость, как и твердость алмазов, неодинакова в различных кристаллографических направлениях. Неодинаковая прочность и твердость по различным направлениям называется анизотропией, которая свойственна не только алмазу, но и другим кристаллическим телам. В связи с анизотропией твердости и прочности алмазов при их обработке необходимо ориентировать кристаллы так, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости, а износ алмазного инструмента в направлении наибольшей твердости.

Как было показано выше, даже в пределах одной грани твердость алмаза неодинакова. Поэтому, когда режут стекла алмазом, стараются поставить стеклорез острым углом кристалла к поверхности стекла. И в то же время нельзя стучать самим камнем (алмазом) стеклореза по стеклу, так как алмаз может расколоться и не будет резать стекло.

Твердость алмазов различных месторождений различна. Считают, что индийские алмазы значительно тверже южноафриканских. Явления пластической деформации в алмазе обнаруживаются только при температурах 1800-2000 °С.

Помимо твердости наиболее ценным свойством алмаза является жесткость (высокий модуль упругости). Алмаз обладает наибольшим модулем упругости по сравнению со всеми известными в природе материалами. Большая твердость в сочетании с высокой прочностью позволяет использовать алмаз для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении. Известно, что чем выше модуль упругости материала, тем меньше его способность к деформации и чем выше модуль упругости абразива по сравнению с обрабатываемым материалом, тем меньше абразив деформирует материал и меньше нагревается изделие.

Высокий модуль упругости алмаза создает своеобразную "прыгучесть" алмаза: он легко и высоко подпрыгивает на стекле, на металле, и даже на дереве и на бумаге. Не учитывая это и не умея обращаться с алмазами, нетрудно растерять их зерна при исследовании в лабораторных условиях.

При алмазной обработке возникающее удельное давление и температура в 4-5 раз ниже, чем при использовании других абразивов. Коэффициент сжатия алмаза 17,65⋅10^-6⋅22,55-10^-6 МПа: в этом алмаз значительно уступает всем известным в природе веществам. Сочетание высокой режущей способности. частиц алмаза с низким коэффициентом сжатия обеспечивает отсутствие деформации поверхности слоя.

Коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе меньше 0,1, что объясняется наличием адсорбированных пленок газа на поверхности его кристаллов. При условиях, исключающих это явление на поверхности металла, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низким коэффициентом трения и объясняется исключительная стойкость алмаза на истирание. При шлифовании твердого сплава расходуется в 600-3000 раз меньше алмазного порошка чем другого абразива.

В табл. 4 приведена сравнительная характеристика физико-механических свойств алмаза и других твердых материалов.

Таблица 4. Физико-механические свойства алмазов и других твердых материалов