| hlavní stránka | obsah | učebnice | mapa webu | o autorech | rejstřík |
4.2.4.2 Absolutní tvrdost (mikrotvrdost)
Vlastnosti jako je štěpnost, dělitelnost a lom jsou odezvou minerálů na působení vnějších sil. Největší podíl na těchto silách má tlak, který může způsobit smykovou deformaci. Míra této deformace je definována nejen velikostí tlaku, ale závisí i na teplotě a mechanických vlastnostech minerálu. Pokud krystalická látka změní svoji strukturu působením vnějších faktorů, označujeme ji jako tlakově deformovanou. Míra postižení krystalické látky je různá – od elastické deformace, přes plastickou deformaci až ke vzniku lomové linie.
Pevnost krystalického materiálu přímo závisí na vazebných mechanismech a přítomnosti (resp. nepřítomnosti) defektů ve struktuře. Rozhodující pro výslednou reakci krystalické látky na působení vnějších sil je typ chemických vazeb. Pokud minerál obsahuje strukturní defekty podél určité roviny nebo v určitém směru, bude mít tendenci se v těchto směrech snadněji deformovat. Totéž platí i pro směr kolmý na nejslabší vazby ve struktuře. Příkladem mohou být vrstevnaté minerály, ve kterých jsou vrstvy mezi sebou vázány mnohem slaběji a je tím jasně dán směr snadné deformace (např. grafit, slídy).
Je vlastnost minerálu lámat se paralelně s určitou rovinou atomů, kterou lze charakterizovat Millerovými indexy (podobně jako krystalovou plochu). Štěpnost je úzce svázána s anizotropií vazebných sil, směr štěpnosti je závislý na nejslabších vazbách ve struktuře minerálu. Tyto vazby mají zároveň největší vazebnou délku a umožňují tak vzniku systému štěpnosti kolmo na toto oslabení (obrázek 42-1). Minerály s výrazně heterodesmickými strukturami mají štěpnost paralelní se strukturními rovinami, které jsou hustě obsazeny atomy a mezi sebou jsou vázány slabými van der Waalsovými silami nebo vodíkovou vazbou. Příkladem jsou vrstevnaté struktury grafitu nebo slíd. Štěpnost najdeme i u homodesmických struktur, kde jsou pevnosti vazeb v různých směrech prakticky stejné. Např. štěpnost diamantu (111) je podmíněna směrovým charakterem kovalentní vazby a faktem, že v uvedeném směru je mezi sousedními vrstvami poloviční počet vazeb. Stejným typem struktury je sfalerit, kde je štěpnost (110) podmíněna vyšším podílem iontového charakteru ve vazbě Zn-S.
Pokud chceme štěpnost definovat, musíme udat její kvalitu a krystalografický směr. Směr udáváme buď Millerovým indexem, např. (100), (111), (110), (001) nebo opisem např. kubická, oktaedrická, prizmatická nebo pinakoidální štěpnost. Kvalitu štěpnosti určujeme subjektivně a posuzujeme množství, délku a zřetelnost štěpných trhlin na povrchu minerálu. Nejčastěji se vyjadřuje těmito termíny:
velmi dokonalá (obrázek 42-2)
dokonalá (obrázek 42-3)
dobrá (obrázek 42-4)
nedokonalá
velmi nedokonalá
chybějící
Pokud se minerál láme podél jiných strukturních oslabení, jedná se o dělitelnost. Tato oslabení vznikají zejména v důsledku tlaku, dvojčatění nebo procesů exsoluce. Jelikož jsou směry dělitelnosti paralelní s krystalografickými rovinami, velmi se podobají štěpnosti a těžko se odlišují.
V některých krystalech je pevnost vazeb ve všech směrech přibližně stejná - neexistuje zde směr méně pevných vazeb (homodesmické struktury). Působíme-li na takové krystaly dostatečně velkou silou tak, abychom překročili mez plastické deformace, vzniknou lomné plochy, které nesledují žádný krystalografický směr. Podle vzhledu lomné plochy můžeme rozlišit např. následující typy:
· lom lasturnatý - hladký, zahnutý lom ve tvaru lastury (obrázek 42-5)
· lom vláknitý nebo třískovitý
· lom hákovitý - rozeklaný lom s ostrými hranami
· lom nerovný nebo nepravidelný - tvořen je drsnými a nepravidelnými plochami
Tvrdost vyjadřuje míru odolnosti povrchu minerálu vůči pronikání cizího předmětu (značí se H nebo T). Při vyhodnocování tvrdosti sledujeme reakci krystalové struktury na působící tlak bez vzniku poruch. V kovových krystalech je výsledkem (vzhledem k jejich plasticitě) rýha. Křehké materiály s kovalentní a iontovou vazbou mohou na test tvrdosti reagovat vznikem mikroporuch.
Hodnoty tvrdosti se odvíjí především od způsobu strukturního uspořádání stavebních částic v krystalové mřížce a na typech chemických vazeb. Obecně lze říci, že hodnoty tvrdosti stoupají, jsou-li ve struktuře zastoupeny ionty s vyššími valencemi, vyššími koordinačními čísly a struktura vykazuje vysokou hustotou směstnání stavebních částic. Vyšší tvrdost také zpravidla vykazují minerály s převahou kovalentních vazeb ve struktuře. Hodnoty tvrdosti snižuje především přítomnost hydroxylových skupin a molekul vody ve struktuře a také přítomnost „mikroinkluzí“ a mikroporuch.
Je třeba rozlišovat mezi pojmy pevnost struktury a tvrdost minerálu. Příkladem mohou být silikáty, jejichž společnou základní stavební jednotkou je tetraedr SiO4-4 a přitom se mezi nimi vyskytují minerály s diametrálně odlišnou relativní tvrdostí (od mastku až po topaz). V tomto případě tvrdost není závislá na pevnosti vazby Si - O, ale na nejslabší vazbě ve struktuře minerálu.
Relativní stupeň tvrdosti je založen na srovnávání, zda minerál rýpe do jiného, nebo zda odolává rýpaní např. nožem nebo drátem. Rakouský mineralog F. Mohs v roce 1824 sestavil relativní stupnici tvrdosti a jako etalony použil některé minerály. Minerály jsou seřazeny se stoupající tvrdostí:
1. mastek 6. ortoklas
2. sádrovec 7. křemen
3. kalcit 8. topaz
4. fluorit 9. korund
5. apatit 10. diamant
Při určování relativní tvrdosti, kdy zkoušíme rýpat do minerálu, musíme být velmi obezřetní, abychom k této zkoušce použili čerstvý lom. Někdy se může stát, že starší plocha je již částečně postižena přeměnami a produkty přeměn mají zpravidla nižší tvrdost. Obdržené výsledky pak zkreslují skutečné hodnoty relativní tvrdosti. Při každé zkoušce rýpání minerálem A do minerálu B zkusíme tento postup obrátit. Ostré hrany minerálu jsou zpravidla o málo tvrdší než jeho plochy, takže každý minerál zpravidla rýpe svojí hranou do své plochy.
Při určování relativní tvrdosti můžeme použít některé pomůcky:
· rýpeme-li do minerálu nehtem má tvrdost nižší než 2
· měděná mince či drát rýpe do minerálů o tvrdosti max. 3
· nožem lze rýpat do minerálů s tvrdostí max. 5
· tvrdost běžného okenního skla je asi 5,5
· ocelovým drátem rýpneme do minerálu s max. tvrdostí 6,5.
Tvrdost je veličina s vektorovými vlastnostmi. Některé krystaly vykazují hodnoty tvrdosti, která závisí na směru zkoušky. Klasickým příkladem je kyanit, který má v ploše (100) ve směru [001] tvrdost 4,5, ve směru [010] tvrdost 6,5 a v ploše (010) ve směru [100] tvrdost 7.
Tvrdost minerálů lze měřit i kvantitativními technikami, takže lze sestavit i absolutní škálu tvrdosti. Nejčastěji se měří absolutní tvrdost metodou vtlačování, kdy tvrdost vyjadřuje odpor minerálu k plastické deformaci způsobené indentorem určité velikosti a působícího určitým tlakem. Častěji se v této souvislosti používá termínu mikrotvrdost, protože se určuje na malém objemu hmoty za použití malých tlaků.
Nejčastěji používaná je Vickersova metoda stanovení Vickersova čísla tvrdosti (VHN – Vickers hardness number). VHN je definováno jako poměr síly působení použitého závaží k ploše vytvořeného vtisku. Síla se udává v Newtonech a plocha v mm2. Plocha se spočte podle tvaru indentoru, v případě Vickersova je to S = d2/1,8544 (d je délka diagonály v mm). Zařízení, na kterých se hodnoty VHN měří, se označují jako mikrotvrdoměry.
Vztah mezi Mohsovou tvrdostí (HM) a Vickersovou absolutní tvrdostí (HV) má parabolický průběh (obrázek 42-6) a je možné tento vztah definovat jako:
HV = 86,3 – 90,9 HM + 34,6 HM2.
Soudržnost je fyzikální vlastnost vyjadřující odolnost minerálu vůči lámání, trhání, ohýbání a drcení. Pro její vyjádření používáme následující termíny:
Křehký – minerál se velmi snadno poruší a rozpráškuje. Tato soudržnost je charakteristická pro krystaly s převážně iontovou vazbou.
Kujný – minerál lze kovat do tenkých lístečků.
Řezatelný – minerál lze krájet nožem.
Tažný – minerál lze vytáhnout do formy drátu. Kujnost, řezatelnost a tažnost jsou typické pro minerály s kovovou vazbou.
Ohebný – pokud minerál ohýbáme a nevrátí se do původního stavu ani po odeznění působících sil. Např. vrstvy chloritu a mastku mají tuto vlastnost díky skluzu ve strukturních vrstvách hydroxylových skupin.
Pružný – minerál se po deformaci opět vrátí do své původní pozice. Příkladem mohou být slídy, kde je pružnost (elasticita) způsobena iontovými vazbami mezi K+ iontem a Si-Al tetraedrickými vrstvami.