Таблица твердости минералов по шкале Мооса

Определение твердости минерала

Твердость 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. 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 исследуемого образца оценивается средней величиной, во втором — равна твердости эталонного.

Например, если какой-нибудь минерал царапается кварцем и не царапается ортоклазом, то его твердость равна 6,5. Если же другой минерал царапается кальцитом и сам оставляет на нем царапину, то его твердость 3.

(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 (бронзовая монета 3,5—4), стекло — 5, стальной нож, игла — 6. Кварц, имеющий твердость 7, широко встречается в природе)..

Следует иметь в виду, что отдельные минералы могут обладать различной твердостью в разных направлениях. Например, твердость дистена вдоль удлиненной грани равна 4, а перпендикулярно к ней —6.

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.

Важно подчеркнуть, что единицы твердости по шкале Мооса относительны. Так, например, алмаз по методу вдавливания имеет твердость 10 000 кг/мм2, а тальк — 43 кг/мм2, т. е. твердость алмаза больше твердости талька не в 10, а в 232 раза.

Шкала Мооса. Твёрдость минералов

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания.

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

Состоит из 10 эталонов твёрдости: тальк — 1; гипс — 2; кальцит — 3; флюорит — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10.

Минералы с индексом ниже 7 считаются мягкими, выше 7 — твердыми.

В целом главная масса природных соединений обладает твердостью от 2 до 6.

Шкала твёрдости предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом.

— это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать ее другим камнем или иным предметом; твердость представляет собой меру связности атомной структуры вещества.

Твёрдость одного и того же камня может быть различной в разных направлениях. Большим различием твердости в разных направлениях среди других минералов выделяется : твердость изменяется у него от 5 до 7, и в одних направлениях образец царапается ножом, а в других нет.

Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 распространённым минералам — от талька до алмаза.

Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал. Всё очень просто. Например, если минерал царапается апатитом, но не флюоритом, то его твёрдость находится в диапазоне от 4 до 5.

Промежуточные степени твёрдости камня выражаются в виде дробей. Так, число 8 1/2, относящееся к хризобериллу, означает, что он царапает топаз примерно так же, как сам царапается корундом.

Гранат пироп несколько тверже кварца (7) и несколько мягче берилла (7 1/2), поэтому его твердость обозначается как 7 1/4.

Важно помнить, что скрытокристаллические, тонкопористые и порошковатые разности минералов обладают ложными малыми твёрдостями. Например, гематит в кристаллах имеет твердость 6, а в виде красной охры меньше 4.

Каждый обладатель алмазного перстня знает, что алмаз легко царапает оконное стекло.

Алмазом стекло и режут. Если мы станем пробовать другие драгоценные камни, то обнаружится, что и они царапают стекло, но не так легко, а дальше — топаз царапает оконное стекло, но на самом топазе оставляет царапины корунд, который в свою очередь поддаётся всесильному и самому твёрдому алмазу.

Образцы одних и тех же минералов, полученные из разных мест, отличаются друг от друга по сложности процесса огранки и полировки.

Об алмазах с Калимантана и из Нового Южного Уэльса говорят, что они существенно тверже алмазов из Южной Африки и из других мест и что при их огранке возникают трудности.

Цейлонские сапфиры тверже, чем рубины, а кашмирские сапфиры — мягче.

Шкала Мооса предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона.

Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов.

Помимо шкалы Мооса, конечно же есть и другие методы определения твёрдости минералов, но различные шкалы твёрдости нельзя однозначно соотнести друг с другом.

Практикой приняты несколько более точных систем измерения твёрдости материалов, ни одна из которых не покрывает весь спектр шкалы Мооса.

Бытовые средства измерения твёрдости

Иногда для определения твёрдости приходится пользоваться средствами, которые есть под рукой, хотя в некоторых случаях они бывают недостаточно точны (карандаш -1, соль поваренная — 2, ноготь — 2.5, медная монета — 3, железный гвоздь — 4, стекло — 5, стальной нож — 6, напильник — 7).

При определении твердости всегда следует испытывать свежую поверхность минерала.

хорошо запомнить:

• ноготь оставляет царапину на гипсе и более мягких веществах
• обычное оконное стекло немного мягче полевого шпата
• стальное лезвие ножа немного твёрже полевого шпата, приближаясь по твердости к кварцу, и легко царапает стекло.

Классификация природных каменных материалов по твёрдости

Твердые	Средней твердости	Мягкие
Гранит, гнейс, диорит, сиенит, габбро, лабрадорит, тешенит, диабаз, кварцевый порфир, базальт	Мрамор (ахроматический и хроматический), конгломерат, брекчия, известняк, песчаник, вулканический туф, известковый туф, сланцы	Гипсовый, тальковый

Линейная твёрдость

Линейная твёрдость определяется абсолютной шкалой твердости, а не шкалой Мооса.

Вот абсолютная шкала твердости:

• Тальк — 1 — Скоблится ногтем
• Гипс — 3 — Царапается ногтем
• Кальцит — 9 — Царапается медной монетой
• Флюорит — 21 — Легко царапается ножом
• Апатит — 48 — С трудом царапается ножом
• Ортоклаз — 72 — Царапается напильником
• Кварц — 100 — Царапает оконное стекло
• Топаз — 200 — Легко царапает кварц
• Корунд — 400 — Легко царапает топаз
• Алмаз — 1600 — Не царапается ничем (а сам при этом легко царапает корунд)

1	Тальк (Mg3Si4O10(OH)2)	1
2	Гипс (CaSO4·2H2O)	3
3	Кальцит (CaCO3)	9
4	Флюорит (CaF2)	21
5	Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))	48
6	Полевые шпаты (KAlSi3O8)	72
7	Кварц (SiO2)	100
8	Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2)	200
9	Корунд (Al2O3)	400
10	Алмаз (C)	1500

Имитации камней и проверка на твёрдость

Так как различные виды драгоценных камней имеют по меньшей мере такую же твёрдость, как и кварц (7), их легко можно отличить от внешне похожих на них «мягких» стеклянных изделий, имитирующих драгоценные камни, с помощью напильника (надфиля).

Особенно полезно такое испытание в случае алмаза, потому что он, будучи гораздо тверже любого другого драгоценного камня, оставляет на стекле царапину значительно более глубокую, чем это можно сделать рубином или сапфиром.

До того, как ввели в употребление рефрактометр, это был практически единственный метод проверки ограненных камней.

Если камень заключен в оправу, лучше всего его вынуть оттуда и провести испытание па ободке камня, поскольку поцарапанное место можно в этом случае полностью закрыть, снова вставив камень в оправу.

Для удобства испытания минералов на твердость применяют так называемые эталонные острия, в которых кусочки материала с известной твердостью вставлены в небольшие держатели.

Абсолютная твердость

Местные неровности постепенно сглаживаются, причем тем скорее, чем правильнее выбрано сочетание твердости материалов шестерни и колеса в отношении их взаимной прирабатывае-мости, чем больше нагрузки и чем меньше абсолютная твердость материалов.

Нетрудно понять, что вопросы, подобные поставленным, представляют большой, практический интерес, но ответы на них могут быть получены лишь при условии отказа от допущения об абсолютной твердости тела.

Абсолютную твердость материалов определяют методами Бри-нелля, Виккерса, Кнупа, Роквелла, а также Герца и Ауэрбаха. Абсолютная твердость по Герцу и Ауэрбаху определяется величиной нагрузки в центре шаровой линзы, давящей на пластинку того же материала, при которой превышается предел упругости материала.

В настоящее время алмаз широко применяется в технике как режущий инструмент и высокоабразивный материал.

Его абсолютная твердость в 150 раз превышает твердость кварца.

Методом царапания определяют относительную твердость материала. Для измерения же абсолютной твердости изготовляют из испытуемого материала два образца: один с плоской поверхностью и второй-со сферической. Сферическая поверхность вдавливается в плоскую, и отмечается давление, при котором на плоской поверхности возникает трещина.

В этой главе мы излагаем два разных вопроса. Однако общим для них является нарушение свойств абсолютной твердости тела. Именно, мы будем рассматривать в теории удара ( § 1) также и неупругий удар, а в § 2 — движение тела с изменяющейся массой.

Мы уже не раз отмечали, что абсолютная недеформируемость твердых тел с физической точки зрения недопустима.

Легко видеть, что, отказываясь от предположения а абсолютной твердости, можно сохранить предположение б, не впадая в противоречия. В самом деле, допустив, что у цилиндра ( или у пола, или у того и другого) возникает какая-то деформация, так что соприкосновение имеет место не только по одной прямой д, но по целой площадке ( узкая полоска, содержащая прямую д), мы увидим, что момент реакций относительно прямой д уже не должен обязательно обращаться в нуль; основываясь на этом допущении, можно также очень хорошо объяснить ( при помощи обычных законов трения скольжения), почему вес и достаточно малое натяжение т уравновешиваются.

Условия равновесия ( 1) и ( 2) накладывают ограничения на направление и сторону равнодействующей активных сил F, а не на ее величину. Это, очевидно, может иметь место только в идеальном предположении, что связь обладает абсолютной твердостью и, не разрушаясь, может сопротивляться действию нормальных сил произвольно большой величины.

Вопрос о физической природе твердости в специальной литературе обсуждался неоднократно. Одни авторы пытаются объяснить ее на основе анализа существующих методов, другие — найти способы измерения абсолютной твердости соответствующим изменением методов.

Успех научного исследования во многом зависит от удачного выделения главной части явления и умелого отвлечения от деталей, быть может и важных самих по себе, но с точки зрения целей данного исследования играющих второстепенную роль.

Так, инженер, изучающий движение некоторого механизма, будет сначала рассматривать отдельные звенья этого механизма как абсолютно твердые тела, определит кинематическую картину движения механизма и действие сил в нем, после этого, желая рассчитать механизм на прочность, откажется от абсолютной твердости звеньев, учтет их упругость, а при некоторых условиях, и пластичность.

По известной шкале Мооса алмаз занимает наивысшее 10 — е место, выше корунда, топаза и кварца. Сам алмаз может царапаться только алмазом. Абсолютная твердость алмаза, измеряемая вдавливанием алмазной пирамидки на специальном приборе твердомере, составляет 10 060 кгс / мм2, что выше твердости кварца в 9 раз и выше твердости металло-керамических твердых сплавов в 7 раз. Большая твердость обеспечивает алмазному зерну высокие режущие и абразивные свойства, способность эффективно разрушать самые крепкие горные породы и материалы.

Алмазы и алмазные инструменты широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Благодаря своим исключительным физико-механическим свойствам алмаз является минералом, способствующим повышению производительности процесса обработки металлов резанием.

По абсолютной твердости алмаз в 4 — 5 раз превосходит метал-локерамические сплавы. Однако алмазы весьма хрупки, что, естественно, сужает область их применения.

Алмазы и алмазные инструменты широко используют при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокие твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4 — 5 раз тверже металлокерамических сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сталей и пластмасс.

Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью.

Однако алмазы весьма хрупки, что снижает область их применения.

Можно, однако, ввести для каждого из небольших элементов диска инерциальную систему отсчета, в которой бы этот элемент в данный момент покоился; для разных элементов диска, обладающих различными скоростями, эти системы будут, конечно, тоже различны.

Благодаря абсолютной твердости диска длины каждого из этих отрезков в соответствующей инерциальной системе отсчета остаются такими же, какими они являются у неподвижного диска. Эти же длины получит и измеряющий их неподвижный наблюдатель, мимо которого проходит в данный момент рассматриваемый радиус диска, поскольку каждый из отрезков перпендикулярен к своей скорости, а в таком случае не происходит лрренцева сокращения. Поэтому и весь радиус, измеренный неподвижным наблюдателем как сумма составляющих егЪ отрезков, будет таким же, каким он является у неподвижного диска.

С другой стороны, длина каждого из элементов окружности диска, проходящего в данный момент мимо неподвижного наблюдателя, подвергается лоренцеву сокращению, так что и длина всей окружности ( измеренная неподвижным наблюдателем как сумма, длин отдельных ее отрезков) окажется меньше, чем длина окружности покоящегося диска.

Противоречие этого результата со сделанным предположением и показывает, что в действительности диск не может быть абсолютно твердым и при вращении неизбежно подвергается некоторой сложной деформации, зависящей от упругих свойств материала, из которого сделан диск.

Как определить твердость минерала

Твердость 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.

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 исследуемого образца оценивается средней величиной, во втором — равна твердости эталонного. Например, если какой-нибудь минерал царапается кварцем и не царапается ортоклазом, то его твердость равна 6,5.

Если же другой минерал царапается кальцитом и сам оставляет на нем царапину, то его твердость 3.

(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 (бронзовая монета 3,5—4), стекло — 5, стальной нож, игла — 6.

Кварц, имеющий твердость 7, широко встречается в природе)..
Следует иметь в виду, что отдельные минералы могут обладать различной твердостью в разных направлениях.

Например, твердость дистена вдоль удлиненной грани равна 4, а перпендикулярно к ней —6.
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.

Важно подчеркнуть, что единицы твердости по шкале Мооса относительны. Так, например, алмаз по методу вдавливания имеет твердость 10 000 кг/мм2, а тальк — 43 кг/мм2, т. е. твердость алмаза больше твердости талька не в 10, а в 232 раза.

Таблица твердости минералов Мооса

Ниже представлена расширенная таблица веществ, минералов, драгоценных камней: