钻石比铁锤更硬为什么相撞却是钻石碎?

FOU 3周前 13浏览 0评论

  俗话说得好:“没有金刚钻,别揽瓷器活”,但有了金刚钻就可以为所欲为了吗?

  钻石即金刚石的一种,在莫氏硬度表中以满分10分登顶榜首,是天然形成的物质中最硬的(铁块只有不到5分)。如果用一把铁锤敲击钻石,你会发现钻石碎一地,铁锤毫发无伤,但这并不能说明钻石是假的。

  我们通常所说的硬度指的是:材料局部抗挤压的能力,并不是越硬就越无坚不摧。打个比方,现在有一块玻璃和一根木棍,我们拿小刀在它们表面轻轻划几下,结果是木棍表面会有明显划痕,但玻璃表面就很难看出划痕,这说明了玻璃的硬度比木棍大。

  我们用木棍来重击玻璃,结果肯定是玻璃破碎,木棍毫发无伤。这个结果就需要用脆度(断裂韧性)来解释了,所谓的脆度指的是物体在外力作用下,产生微小形变就断裂的能力。很明显,拿小刀随便划木棍,产生的形变都不会使木棍断裂,但如果玻璃发生微小的形变,你只要轻轻一按,立即断成两半。

  硬度和脆度是两个完全不同的概念,钻石虽然比铁锤更硬,但脆度也比铁锤更大,所以钻石被铁锤敲碎一点都不奇怪。

  从微观的角度来解释:钻石本质只是碳原子的正四面体排列而已,这些碳原子之间形成的共价键距离短,键能大,结合牢固,加上正四面体的结构,这是钻石硬度大的原因;但受到外力的冲击时,由于这些四面体结构足够牢固,所以不会在四面体内部产生断裂,应力会沿着结晶的面传导然后堆积,最后在最薄弱的结晶面断裂,我们称之为解理。

  钻石属于八面体中等解理,四面体会结合成一个发育完全的八面体,解理方向也是平行于八面体面的方向。通常是在网面间距离最大,引力最小的位置,钻石外部只要有一点轻微的裂痕,解理面就会整个断裂。如果现在有一个1立方米的巨型钻石,你拿大锤砸的稀巴烂,最后会发现这些砸碎的钻石都是呈现小八面体的结构,钻石的切割工艺也是根据这种解理的脆性分布来操作的。

  这种脆性在科学上也有专门的研究方向——断裂力学,这是一门在1945年的二战后才兴起的材料科学,而关于脆性(断裂力学)最著名的应该是泰坦尼克号沉没事件了。

  1912年,号称永不沉没的泰坦尼克号,在大西洋撞击冰山断成两截,事后调查人员发现当时冰山撞击损坏的位置是船身在海面的吃水线位置,正好这个位置的钢材是由多块9米长的钢材焊接成的,这些钢材在制造过程中混入了较多的硫,以硫化亚铁的形式掺入船体中,导致船体的脆性增加。由于科学技术原因,造船师在当时只考虑了钢板的强度却忽视了断裂韧性,加上当时驶过的海域温度在0度以下,高温和低温都会使船身钢材的脆度增加,最后含硫的钢板断裂,导致整个船身出现巨大裂缝,这才酿成了一起悲剧。