矿物硬度的概念及研究意义

1、第六章 矿物的硬度 一、矿物硬度的概念及研究意义 (一)矿物硬度的概念及形成机理 矿物抵抗外来机械作用力的能力即为矿物的硬度。从这种机械作用力的类型来划分，矿物抵抗刻划作用力的为“刻划硬度”；抵抗研磨作用力的为“抗磨硬度”；抵抗压入作用力的为“抗压硬度”。 矿物的硬度与其化学成分有关。化学元素在矿物晶体中系原子或离子作有规律的排列。原子与原子或离子与离子之间的结合力称为“键力”，它与矿物硬度的大小直接相关。键力强则抵抗压入或撕裂的阻力大，即硬度高。众所周知，键力大小取决于原子或离子的半径及化学键的性质。一般地说，当键性和晶格类型相同时，原于或离子半径小的矿物硬度高：离子电阶低者硬度低。就各种化

2、学键比较而言，共价键矿物硬度较高，离子键矿物硬度中等；金属键矿物硬度较低、温德华键矿物硬度最低。 不言而喻，矿物硬度还和晶体结构密切有关。当其他因素相同时，质点(原于或离于)的堆积越紧密(配位数大)则矿物的硬度越高。 在自然界，矿物晶体中一种键往往沿一定的方向发育，使晶体具有明显的方向性。比如石墨，层内为同极键，键力很强；层与层之间为温德华键，键力很弱。因此，矿物的硬度具有异向性。即使是等轴晶系的矿物晶体，由于方向不同，其质点的堆积紧密程度、排列方式甚至键的类型都会有所差别，故硬度各不相等。事实上，即使在同一个晶面上，方向不同，硬度也有差异。据S.H.U.Bowle，和K.Taylor的试验，

3、许多矿物由于方位不同引起的硬度差异可达其平均数的535。 应当指出，刻划硬度，抗压硬度和抗磨硬度三者的形成机理是不完全相同的。刻划硬度反映矿物的弹性极限、屈服极限、强度极限和破裂极限，受方向性的影响较大；抗磨硬度系较硬物质(磨料)在矿物表面上沿着不同方向长时间刻划的积累，其形成机理与刻划硬度相似，除了抵抗塑性变形以外，主要反映矿物抵抗破裂、剥离的能力。抗压硬度则主要反映矿物对塑性变形的阻力，一般反映矿物的强度极限，弹性、破裂居从属地位。矿物的解理面系质点作最紧密堆积的面，故解理面的抗压硬度最大。但解理面上的刻划硬度和抗磨硬度却往往最小，这主要是由于这两种硬度机械作用力除了挤压、推移晶格以外，还

4、具有剥离和撕裂的作用(解理面容易剥离和撕裂)。因此，由于三种硬度的形成机理不尽相同，三者数值不能完全对比。当然，三种硬度都能在一定程度上反映矿物受机械力以后的机械特征(弹牲极限、屈服极限、强度极限及破碎强度)，故又在一定程度上三种硬度可作对比。 (二)矿物硬度的研究意义硬度测定对于鉴定金属矿物具有重要意义。用极简单的工具(钢针、铜针)在矿相显微镜下可迅速地获得矿物刻划硬度的定性资料。不用任何专门工具即可利用光片磨制过程中造成的软硬矿物之间的相对突起对比毗邻矿物的抗磨硬度。如在较高温度条件下形成的铁闪锌矿其中分布有黄铜矿或磁黄铁矿固溶体分解物(黄色小点或细叶片)，抗磨硬度低于闪锌矿的这种黄色分解

5、物为黄铜矿，抗磨硬度高于闪锌矿的则为磁黄铁矿。抗压硬度系用硬度仪精确测定的定量数值，鉴定意义更大。如很多特性都相近的锌锰矿(Hetaerolite)和黑锌锰矿(Chalcophanite)不易鉴别，但前者抗压硬度VHN值为583985kgmm2，后者该值仅为71246 kgmm2，可明显地将两者区分开来；对于自然界产出极少的铂族矿物微细颗粒，抗压硬度精确数值也具有重要的鉴定意义。如硫铂矿(Cooperite)、砷铂矿(Sperrylite)和琉钌矿(Laurite)的VHN值依次为的505588、7831079和13932012 kgmm2，可迅速鉴别三者。另外，矿物的抗压硬度精确数值可以反映

6、矿物中呈类质同象替换之杂质元素的多少。如闪锌矿含FeS分子14.39时VHN值为192.1 kgmm2，含FeS分子l 7.6时VHN值为179.9 kgmm2。 此外，金属矿物的抗压硬度值还可作为矿物重要的成因标型特征之一。如区域变质型磁铁矿VHN值为440570(平均542) kgmm2、接触交代型为480635(平均600) kgmm2、岩浆型为550一750(平均641) kgmm2，可以标示磁铁矿的不同成因又如陆源浅海相胶体化学沉积矿床中黄铁矿的抗压硬度为500一999 kgmm2、变质矿床为1234.1 kgmm2、矽卡岩型矿床为13281802 kgmm2、热液矿床为1436 k

7、gmm2，可以帮助分析矿床成因。所以近年来许多矿相学家把反射率和硬度作为金属矿物最主要的两项鉴定特征。二、矿物刻划硬度的测试肉眼鉴定矿物时利用与摩氏硬度计规定的十种标准矿物刻划对比确定欲测矿物的硬度。在矿相显微镜下则利用钢针(缝纫针)，铜针(纯铜电线丝磨尖制成)刻划矿物确定硬度。其分级简易适用。具体分级如下： 低硬度能被铜针划动(在光片上出现划痕、沟槽或粉末； 中硬度铜针划不动、钢针可划动；高硬度钢针也划不动。用金属针刻划矿物一般在低倍或中倍物镜下进行。用右手的食指、中指和大拇指握住针，小指支撑在物台上，使金属针与光片约成30-40°以上的角度划出刻痕，握针不必太紧。划不能太用力，针

8、应经常磨尖。刻划时从左向右划动(镜下倒象显示为从右向左划动)。刻划硬度的光片必须保持清洁，以免光片上的尘土、氧化膜、污垢被金属针刻掉后误认为划动了矿物。金属针刻划较硬矿物时，有时留下金属针(特别是铜针)的粉末于光片上，不要误认为刻动的划痕。 应该强调指出，在当前教学实验室条件下，用金属针法测定矿物的刻划硬度十分重要。所获得的定性硬度资料是矿相学教学用鉴定表(详见第八章第一节)的基础资料，如发生差错将使鉴定工作无法进行。三、矿物抗磨硬度的测试矿石光片用帆布等加磨料抛光时，由于矿石中各种矿物的抗磨硬度不同，如图61所示，软矿物(黄铜矿和方铅矿)容易凹下而硬矿物(黄铁矿)则比较突出，在两种矿物（左为

9、黄铁矿和黄铜矿，右为黄铁矿和方铅矿)交界处形成过渡的斜面。图6-1中。黑箭头表示反射光线。在平面部分反射光线都垂直向上，在斜面上的光线，则根据反射面上入射角与反射角相等的原理，偏向硬度较低的方向反射。因此，在矿相显微镜下观察，正对矿物交界线的位置显得黑暗，而在交界线的外围由于光线重叠，显得较为明亮，形成条“亮线”。当显微镜镜筒上升(或物台下降)使物镜焦点上升时(如图61中由B升到A水平虚线处)，亮线向低硬度矿物方向移动(图中为ab到ab)。反之，当镜筒下降(或物台上升)使物镜焦点下降，亮线就向高硬度矿物方向移动。如图62所示，将显微镜中心部位准焦于硬矿物(H)和软矿物(S)交界线的倾斜面上，此

10、时目镜焦平面(OP)正好与实象平面(R)重合(图6-2中)。当提升镜筒(图62左)时，目镜焦平面高于实象平面，光线a、b照亮了视域中心的左方(在OP处见到光线a、b增强了视域中心左方亮度)，叠加在软矿物的实象(在视域中心左方)上。故徐徐上升镜筒，将见到亮线向软矿物方向移动。反之，当下降镜筒时图6-2右），目镜焦面位于实象平面之下，光线a、b照亮视域中心的右方(在OP处见到光线a、b增强视域中心右方的亮度)，叠加在硬矿物的实象(在视域中心右方)上。因之缓慢下降镜筒时：可见到亮线向硬矿物方向移动。 在实际操作时，应注意将光圈缩小一点，以降低整个视域的亮度，使得亮线“清晰度” 提高。同样，选用提升或

11、降低镜筒可考虑以使亮线向较低反射率的矿物方向(亮线“清晰度”较高)移动为准则，确定这点之后再判断低反射率矿物是抗磨硬度较软的矿物或较硬的矿物。另外，当相邻两矿物硬度相差太大时，两矿物交界线倾斜面太陡，使光线成近水平的方向反射出去，产生很宽的暗带，此时不宜作“亮线法”对比抗磨硬度。 四、矿物抗压硬度的测试 利用硬质合金或金刚石制成的方形、菱形锥体、球体以及圆锥体“压头”，外加一定负荷压入矿物光面，使其形成永久性的压痕。对一种矿物而言，一般是压痕的表面积与负荷的大小成正比关系。对于不同矿物而言，硬度越高，抵抗压入的应力(阻力)越大，产生的压痕越小。即矿物的抗压硬度与应力成正比，与压痕面积成反比。矿

12、物抗压硬度的计量单位为kgmm2。最常用的压头为维克(Vicker)压头和诺普(Knoop)压头。维克压头为用金刚石制成的正方形锥体，各锥面角为136°(图63下部)。维克硬度值(VHN或Hv)以负荷除以压痕的表面积计算为：VHN(Hv)=式中P为负荷重(以kg为单位)；d为正方形压痕的对角线长度(以mm为单位)。 诺普压头是用金刚石制成的菱形锥体，锥体两相邻面之间的夹角分别为130°和172.5°。压痕为长的菱形(图63上部)。诺普硬度值(KHN或Hk)计算公式为： KHN(Hk)=式中P为负荷重(以kg为单位)；d为长菱形压痕的长对角线长度(以mm为单位)。

13、现以国产71型硬度仪为例简要介绍维克硬度值的测量方法。我国上海第二光学仪器厂产71型显微硬度仪由测微反光显微镜、载物台和加荷装置等部件构成。显微镜安装在仪器主件之左半部由物镜、测微目镜、折射棱镜和照明装置等部分组成。物镜放大倍数为40倍。测微目镜固定在目镜管上，由放大倍数为15倍的补偿目镜和测微装置构成。测微装置为装于目镜内的一块可动分划板及与它相连的鼓轮组成。分划板上刻有瞄准压痕棱边的交叉线(图64)。鼓轮一周等分为100小格。转动鼓轮时，分划板可左右移动，以测量压痕对角线长。载物台安装在升降轴上，升降时有粗调摇动手柄和微调转动轮可资调节。载物台还附有纵、横向微分筒用以调节载物台纵向和横向移

14、动，使样品从显微镜视场中心准确地移动金刚石压头下进行加荷。加荷装置安放在仪器主体之右半部，有五种负荷(10g、25g、50g、100g、200g)供使用时选择。金刚石压头固定在保护套内，按动按钮油阻尼起动，通入压缩空气使金刚石压头均速缓慢下降并压入矿物。具体测算步骤为： 1安平光片；2将载物台推至左湍、开灯准焦； 3调节载物台纵、横向微分筒找准视域中矿物欲测部位； 4将载物台向右瑞推移、使欲测部位准确地移动至压头下端；5按选定的负荷和加荷时间(十五秒钟为宜)加荷并保荷一定时间(以三十秒钟为宜)后卸荷(选择上述五种负荷的原则是尽量使压痕直径达到20m为宜)；6将载物台向左端推回至反光显微镜下测量

15、压痕对角线长度。先调节载物台上的纵横向微分筒和测微目镜的鼓轮，使压痕的棱边和目镜中交叉线精确地重合(如图64a)，然后转动鼓轮，对准压痕的另一个棱边(如图64b)，记下鼓轮两次读数。压痕对角线的实际长度即为两次读数之差(鼓轮实际转动的格数)和鼓轮每小格格值(7l型硬度仪为0.25m)。 7至此用前面公式求出欲矿物的硬度值。西德莱资厂所产自动显微硬度仪，加荷和保荷时间都由电电子装置自动控制，可提高测量精度。应该指出，维克硬度值测定是件很精细的工作。测量时必须注意：1选定测量硬度的矿物颗粒不应过小，至少超过压痕直径数倍； 2不能只测一、二个压痕，以1530个为宜(计算硬度值范围和算术平均值)，压痕

16、之间的距离也至少要超过压痕对角线长数倍： 3严格防止受震，硬度仪不能安装在木桌上，而必须安装在水泥台上(在水泥台与硬度仪座台之间应以海绵或橡皮垫隔开)，还必须在压入金刚石压头之前将硬度仪照明灯关掉(防止电流震动)； 4消除光片抛光过程中产生的非晶质薄膜对矿物硬度的影响(由于冷作硬化作用，薄膜的硬度高于矿物的硬度)。当前多采用统一麻片方法(在一湿润的薄毛织品上用极细的麻料轻抛三分钟)解决，即应避免用粗呢织品长时间使劲抛光： 5合理选定负荷及加荷时间，压痕后应详细描述压痕形态(如完整与否，有无裂隙和内凹、外凸现象)，如压痕不是正方形则应测过一对角线之后将测微目镜转动90°测量另一对角线的

17、长度，取两个不等对角线的平均值即为等效正方形的对角线长。用新型螺旋测微目镜(图65、图66)可提高测量精度；6测量前调节好压头的高低使仪器所附硬度值标准块的实测数值误差不超过5，或者符合岩盐解理面加5g负荷，沿对角线方向测5次硬度值都在2022.5kgmm2范围内的要求即可。维克硬度值与摩氏硬度数有大致的线性关系（图6-7）。这种关系可用以下公式表达： 或 前已说明，由于抗磨硬度与刻划硬度的形成机理有所不同，故上述公式和两者线性关系不是很精确的。现将最常见的金属矿物的刻划硬度(本教程用金属针三级分法)、抗磨硬度(相对突起)和抗压硬度(维克硬度值)数据列于表61供参考：在刻划矿物时可以发现，有一

18、类矿物的刻痕发生破碎，形成粉末；另一类矿物的刻痕形成刻槽，不发生破碎，没有粉末；再一类矿物是既形成刻槽又发生破碎形成粉末。十分明显，第一类为脆性矿物，不发生塑性变形；第二类为强塑性矿物，难以破碎；第三类为弱塑性矿物，应力超过破碎强度时就刻出粉末。可见，脆性和塑性也属于矿物鉴定特征之列。有一种意见建议以测量维克硬度值时开始产生裂隙的最小负荷来划分矿物的脆性和塑性等级(表62)。应当指出，脆性应以硬度数与压痕对角线长度度量。上表单以负荷的大小来度量脆性则不够全面，1959年张志雄正确地提出应以产生第一条裂纹时压痕对角线长度的倒数作为度量矿物脆性单位。 表61 常见矿物的硬度资料高硬度矿物中硬度矿物低硬度矿物锡石1168一1322磁黄铁矿373409 辰砂 5198 黄铁矿7501820镍黄铁矿 198409 自然银4163 白铁矿 10971682闪锌矿 170279 自然金 5358 赤铁矿 9731l14硫锰矿 240251 辉铋矿110136 毒砂870一1168黝锡矿 152216 方铅矿5972 黑钨矿 312342赤铜矿 188一207 辉铜矿 6787 白钨矿 387409自然铜 96103 铜蓝128一138 钛铁矿 473707硫砷铜矿194228 解理 辉锑矿 71一86 磁铁矿 585698硫砷铜矿205230解理雌 黄 31一50 针铁矿 4