Что такое твердость

Некоторые драгоценные камни, отличающиеся большой твердостью, такие, например, как алмазы и рубины, нашли обширное применение в различных областях техники. Твердые камни применяются в качестве абразивных материалов (шлифовальные порошки, круги^* и т. п.) ив качестве материала для изготовления фильер^** и различного рода опор для вращающихся осей у особо точных приборов и механизмов.

^* (Алмазные круги приготовляются из алмазной крошки, измельченной до зерен определенного размера, сцементированных каким-либо вяжущим веществом, например магнезиальным цементом.)

^** (Фильерами называют калиброванные отверстия, употребляемые при протяжке проволок, нитей и т. п.)

Что же представляет собой твердость? И почему это качество драгоценных камней очень ценится в технике?

До настоящего времени нет определенного, общепринятого представления о физико-химической сущности понятия "твердость". В минералогии под твердостью подразумевают степень сопротивления, которое способен оказать данный минерал какому-либо внешнему механическому воздействию. Для определения твердости существуют несколько методов измерения, которые дают лишь относительное сравнение твердости различных материалов в зависимости от того, как они способны сопротивляться удару, истиранию, царапанию, вдавливанию и т. д.

Большое многообразие методов испытания на твердость само собой свидетельствует о том, что до настоящего времени нет рационального метода измерения твердости, тем более что определения твердости одного и того же предмета, сделанные по разным методам, дают различные результаты. Наиболее распространенным методом определения твердости является метод Фридриха Мооса, который разработал шкалу твердости по степени царапания некоторых минералов алмазом и друг другом.

Согласно этой шкале, десять испытанных минералов расположились следующим образом (см. табл. 1).

Таблица 1

В этой шкале каждый последующий минерал царапает предыдущий. Таким образом, твердость исследуемого минерала испытывается путем определения, какой из минералов шкалы Мооса он царапает последним. Если испытуемый минерал царапается корундом, а сам царапает топаз, то твердость исследуемого минерала будет находиться между ними.

Более точное определение твердости, основанное на этом принципе, осуществляется на специальных приборах - склерометрах. В этих приборах определение твердости производится в строго определенных, стандартных условиях. Твердость определяется по величине царапины, нанесенной алмазным острием или иглой, изготовленной из специальной стали. Изучение твердости методом царапания показало, что величина твердости кристаллических тел зависит от направления, в котором была произведена царапина; по плоскостям спайности, например, твердость всегда меньше, чем в перпендикулярных к ним направлениях.

Во второй графе в таблице 1 приводится сравнительная твердость, которая устанавливается в зависимости от времени, необходимого для истирания слоя испытуемого материала определенной толщины каким-либо стандартным методом. Как видно из этой таблицы, разрыв в степени твердости между последними двумя минералами очень велика: алмаз в 140 раз превышает твердость корунда. Такого разрыва в твердости нет между другими соседними минералами той же таблицы. Следовательно, между девятым и десятым местом в представленной таблице твердости лежит целая неведомая область, куда можно отнести весьма большое количество веществ, твердость которых имеет промежуточное значение между корундом и алмазом.

В результате изучения природы твердости веществ выяснилось, что для некоторых кристаллических тел (с ионной связью между атомами и однотипной структурой) твердость возрастает с уменьшением расстояния между атомами и увеличением их заряда. Отсюда становится понятной причина исключительной твердости алмаза. Специальные исследования, предпринятые в этом направлении, показали, что если рассматривать твердость как сопротивление изменению поверхностного слоя твердого тела механическому воздействию, то она должна зависеть как от расстояния между взаимодействующими частичками (ионами), так и от величины их электрических зарядов^*.

^* (В свете современных представлений атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра, находящегося в центре атома, и отрицательных частичек электронов, которые на некотором расстоянии находятся в постоянном движении относительно этого ядра. Избыток или недостаток электронов в атоме сообщает нейтральному ядру соответственно отрицательный или положительный заряд, и тогда атом становится ионом, т. е. электрически заряженной частичкой.)

Известно, что сила взаимодействия между двумя электрическими зарядами прямо пропорциональна величине взаимодействующих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

На основании этих соображений было выведено уравнение, учитывающее твердость в зависимости от расстояния между взаимодействующими ионами, величины их зарядов и типа кристаллических образований (структур) твердого тела. С точки зрения такого представления чрезвычайная твердость алмаза объясняется тем, что алмаз состоит, вероятно, из двух сортов ионов углерода: 4-зарядных положительных катионов (C⁴⁺) и 4-зарядных отрицательных анионов (C_4-). Согласно представлению академика Н. В. Белова: "Подобная структура, по законам квантовой механики, непрерывно осциллирует в том смысле, что фиксированные как положительные ионы C⁴⁺ в следующий момент становятся отрицательными C^4- и наоборот. Эта непрерывная осцилляция между двумя состояниями ведет, как известно, к сугубой физической устойчивости данной системы и, в частности, исключительной твердости алмаза".

Подобного рода сочетания больших зарядов взаимодействующих частиц (+4 и -4) и относительно малого расстояния между ними 0,0000000152 ст. нет ни в одном из известных соединений, и, как показывает анализ, подобного сочетания нельзя даже и ожидать при любых комбинациях других элементов, т. е., с рассматриваемой точки зрения, можно определенно сказать, что в природе невозможно никакое другое соединение, имеющее большую твердость, чем алмаз.

В связи с разбираемым вопросом интересно отметить весьма характерную деталь, что получение сверхтвердых сплавов основывается главным образом на применении карбидов тяжелых металлов (представляющих химические соединения металла с углеродом), т. е. соединений того же класса, что и" алмаз, если рассматривать алмаз как карбид углерода.