7矿物硬度

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 1 物硬度最低。 2016/3/3
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如图 6—2 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6—2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。
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如 硫 铂 矿 (Cooperite) 、 砷 铂 矿 (Sperrylite) 和 琉 钌 矿 (Laurite) 的 VHN 值依次为的 505—588 、 783 － 1079 和 1393—2012 kg／mm2，可迅速鉴别三者。另外，矿物 的抗压硬度精确数值可以反映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 kg／mm2，含FeS分子l 7.6％时VHN值 为179.9 kg／mm2。 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 440—570( 平均 542) kg ／mm2、接触交代型为480—635(平均600) kg／mm2、 岩浆型为550一750(平均641) kg／mm2，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 kg／mm2、变质矿床为1234.1 kg／mm2、 矽卡岩型矿床为 1328—1802 kg ／ mm2 、热液矿床为 1436 kg／mm2，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5 2016/3/3 两项鉴定特征。
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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20μm为宜)； 6．将载物台向左端推回至反光显微镜下测量压痕对角 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 6—4—a) ，然后转动鼓轮，对准压痕的另一个棱边 (如图6—4—b)，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0.25μm)。 7．至此用前面公式求出欲矿物的硬度值。
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(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 583—985kg ／ mm2 ，后者该值仅为 71—246 kg ／ mm2 ， 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。
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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6—1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 6—1 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 a′b′) 。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。





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，许多矿物由于方位不同引 起的硬度差异可达其平均数的5—35％。 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。
P 136 d / 2 sin 2
2

1.854
P d2
kg / mm2
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)。
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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 6—3 上 部 ) 。 诺 普 硬 度 值 (KHN或Hk)计算公式为：

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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。

KHN(Hk)=
P 1 1 / 2ctg (172.5 )tg(130 )d 2 2
14.2288
P d2
kg / mm2
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)。
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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6—4)。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：







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： Ⅰ．低硬度——能被铜针划动(在光片上出现划痕、沟 槽或粉末； Ⅱ．中硬度——铜针划不动、钢针可划动； Ⅲ．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。
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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。

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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。 矿物抗压硬度的计量单位为 kg ／ mm2 。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 6—3 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)=
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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 15—30 个为宜 ( 计算硬 度值范围和算术平均值)，压痕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： 17