Свойства минералов

Твердость минералов – сложное свойство, которое зависит от
- кристаллохимических параметров (кристаллическая структура
минерала, валентность катионов, тип химической связь в минерале)
- механических свойств (упругость, пластичность, хрупкость,
наличие дислокаций)
Способы определения твердости
Метод царапания и Метод вдавливания
У минералов переменного состава твердость зависит от
концентрации изоморфных примесей

Твердость царапания – относительная твердость, выражается в
баллах
1811 год – создание шкалы Мооса
1 тальк Mg3[Si4O10](OH)2
2 гипс CaSO4x2H2O
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 С
Метод царапания

Метод вдавливания
Минерал сопротивляется деформации при вдавливании в него
предмета определенной формы – сферы (методы Бринелля и
Роквелла), конуса (метод Роквелла) или пирамиды (метод Виккерса
и Кнупа)
Метод статического микровдавливания
Заключается в свободном погружении под нагрузкой
предмета и выдерживании его в течении некоторого времени
Результат – получение отпечатка на поверхности минерала
Твердость вдавливания – абсолютная, обозначается Н и
выражается в кг/мм2

Для измерения микротвердости обычно используется
четырехгранная алмазная пирамида
метод Виккерса

Сопоставление относительной и абсолютной твердости
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
36
109
189
536
795
1120
1427
2060
10060
Шкала Мооса
Микротвердость
Н (кг/мм2)

Шкала Мооса не равномерная
большая разница твердости между минералами

15-бальная шкала твердости – класс твердости
не связана с минералами-эталонами
Вычисляется по формуле Н0 = 0.675√H

Анизотропия твердости минералов
Минералам ствойственна различная твердость в зависимости
от кристаллографического направления
Может быть разной на различных гранях кристаллов, срезах
кристаллов, по различным направлениям в пределах одной
грани или среза
Кианит Al2(SiO4)O
Твердость
по удлинению – 4.5-5
⊥ удлинению - 7

Два рода анизотропии твердости
1 – полярная, изменяется в пределах одной плоскости (грани) в зависимости от направления
2 – ретикулярная, связана с атомной плотностью грани кристалла,
различна на разных гранях и сечениях кристаллов
Коэффициент анизотропии твердости минерала
КН = Нmax/Hmin
Нmax и Hmin – максимальное и минимальное значение твердости
величена относительная и всегда больше единицы

Измерение микротвердости минерала
1 – изготовление препарата
(полированный шлиф / аншлиф)
2 – регулировка прибора
3 – выбор нагрузки, вдавливание
пирамиды для получения отпечатка
4 – измерение отпечатка,
вычисление микротвердости
5 – обработка результатов

Приборы для измерения микротвердости минерала
Микротвердометры Виккерса
и Кнупа
Компании изготовители
Carl Zeiss
Leco
Zwick / Roell
Emco Test
Россия
рабочая лошадка с 50-х гг ПМТ-3

1 – изготовление препарата
2 – регулировка прибора
- центрировка прибора
- определение цены деления окуляр-микрометра
- регулировка нагружающего механизма
- регулировка прибора по контрольному эталону
3 – установка образца
4 – выбор нагрузки
Нагрузка выбирается в соответствии с предполагаемой
твердостью минерала, так что бы размер диагонали отпечатка
составлял 15-25 микрон
Для мелких выделений минералов диагональ отпечатка
может быть меньше 8-12 микрон (при таких измерениях
твердость должна восприниматься как ориентировочная!)

Оптимальные нагрузки при измерениях минералов
различной твердости
1- 1.5
1.5 - 2
2 - 3
3 - 4
4 - 4.5
4.5 - 5
5 - 6
6 - 7
> 7
7 - 30
30 - 60
60 - 120
120 - 200
200 - 350
350 - 550
550 - 800
800 - 1100
> 1100
3 - 5
5 - 10
10 - 20
20 - 30
30 - 50
50 - 100
100 – 150*
100 – 200*
150 – 200*
Шкала Мооса
Микротвердость
H (кг/мм2)
Нагрузка
(г)
* для хрупких минералов используют нижнее значаниенагрузки

5 – вдавливание алмазной пирамиды
- в течении примерно 15 сек производится медленное
опускание и вдавливание пирамиды
- в течении примерно 5-10 сек (2-5 сек для хрупких минералов)
происходит статическое давление пирамиды
- снятие нагрузки (подъем пирамиды)
6 – измерение отпечатка
7 – вычисление микротвердости
Н = Рнагрузка, кг / Fплощадь, мм
Н = 1854Р/d2 кг/мм2
Р – нагрузка в граммах
d – длина диагонали отпечатка в микронах

Трещиноватость минерала
В зависимости от структуры минерала и прикладываемой нагрузки
вокруг отпечатка можно наблюдать трещины нескольких типов
- вертикальные или глубинные трещины хрупкого разрыва
- трещины поверхностного выкрашивания
- горизонтальные трещины под отпечатком, идущие параллельно
поверхности образца
- паралельные трищины, ориентированные определенным образом
по отношению к отпечатку

Применяя различную нагрузку можно оценить
степень прочности и совершенства спайности
Шкала прочности минералов
балл
степень хрупкости
нагрузка
минерал
1
2
3
4
5
весьма хрупкий
хрупкий
слабо пластичный
пластичный
весьма пластичный
< 20 г
20 – 50 г
50 – 100 г
100 – 200 г
> 200 г
пирит, гипс
блеклые руды
кварц, пирротин
магнетит
галенит, галит

Степень совершенства спайности
Данными характеризующими хрупкость и спайность
Является первый отпечаток, при котором появились трещины

Применение метода микровдавливания
при минералогических исследованиях
1 – характеристика новых минералов и искусственных соединений
2 – диагностика минералов
3 – изучение изменчивости химического состава
4 – изучение анизотропии твердости и упругих свойств
монокристаллов, неоднородности, зональности и
дислокаций в кристаллах
5 – влияние твердости на технологические показатели обогащения
руд