3.1.9. Изучение твёрдости минералов в аншлифах

К числу важных диагностических свойств минералов относится твёрдость.

Твёрдость минералов – это их способность сопротивляться внешнему механическому воздействию. Такая способность обусловлена наличием или отсутствием определённого набора других физических свойств минералов; такими свойствами служат упругость, прочность, хрупкость, пластичность, ковкость. Твёрдость минералов зависит и от присущих им кристаллохимических особенностей: кристаллической структуры минерала, характера химической связи между атомами кристаллической решетки.

Твёрдость минералов в аншлифах в отраженном свете оценивается следующими методами:

• царапанием стальными и медными иглами;

• определением относительного рельефа минералов в аншлифе;

• по качеству полировки минералов.

Мягкими минералами принято называть такие минералы, которые прочерчиваются швейной стальной иглой без нажима.

Твёрдые минералы – это минералы, которые не прочерчиваются стальной иглой либо игла только при сильном нажиме оставляет след на этих минералах.

К группе твёрдых минералов принадлежит сравнительно небольшое количество рудных минералов, большинство же рудных минералов прочерчиваются стальной иглой.

Царапание медной иглой позволяет разделить между собой минералы низкой и средней твердости среди мягких минералов, прочерчива­емых стальной иглой. Минералы низкой твёрдости прочерчиваются без нажима медной иглой.

Минералы средней твёрдости медной иглой не прочерчиваются, но прочерчиваются стальной.

Иглы, употребляемые для испытания минералов в аншлифе на твёрдость, вставляются в деревянные ручки и остро затачиваются на наждаке или на матовом стекле со смоченным водой абразивным порошком (в виде кашицы). Острие игл должно быть длинным, а наклон игл при царапании наиболее крутым. Царапина прочерчивается на полированной поверхности обычно в сторону наклона иглы. При полого наклонном положении иглы её острие только скользит по полированной поверхности, а не прочерчивает её; поэтому иглу при прочерчивании следует правильно держать. При царапании стальной иглой проявляется прочность минералов. Хрупкие минералы, которые легко крошатся на части при механическом воздействии, при царапании стальной иглой дают порошок. Если минерал мягкий и пластичный, то при царапании вдоль царапины появляется стружка, а у ковких минералов трещина царапания имеет вид глубокого желоба, по бокам которого стружка лежит, образуя валики.

Твёрдость минералов в полированных шлифах можно оценить с помощью микросклерометра (по методу С.Б. Талдмейджа) и с помощью микротвердометра (метод микровдавливания алмазной четырёхгранной пирамиды, называемой пирамидой Виккерса, под нагрузкой).

С.Б. Талдмейдж для определения твёрдости использовал специальный прибор с алмазным острием, который оставляет на полированной поверхности исследуемого минерала царапину стандартного характера. Однако этот метод не нашел широкого применения в практике минераграфических исследований. Используется метод микровдавливания пирамиды Виккерса под нагрузкой (определение микротвёрдости).

Определение микротвёрдости основано на измерении силы давле­ния, приходящейся на единицу боковой поверхности отпечатка, полу­чаемого от статического вдавливания в исследуемый минерал алмазной пирамиды под нагрузкой.

Для измерения микротвёрдости металлов и их сплавов разработаны алмазные пирамиды:

Виккерса (с квадратным основанием),

Кнупа (с основанием в виде удлинённого клина),

Берковича (трехгранная пирамида).

Вопрос о наилучшей форме алмазной пирамиды долго обсуждался металловедами. В 1925 году Р.Смит и Дж. Сетланд рассчитали, что лучшей формой пирамиды является четырёхгранная пирамида Виккерса квадратным основанием и углом при вершине между противоположный гранями равным 136°.

Твердость микровдавливания (Н) выражается отношением нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка F:

Н = Р / F (кгс /мм²).

В зависимости от кристаллографических направлений минералы имеют различную твёрдость микровдавливания. Анизотропия твёрдости обнаруживается у всех кристаллических разностей минералов и особенно сильно у минералов низших сингоний, а минералы кубической сингонии имеют слабую анизотропию твёрдости. По степени анизотропии микротвёрдости С.И. Лебедева условно разделила минералы на три группы:

• изотропные и слабоанизотропные;

• минералы средней анизотропии твёрдости;

• минералы с сильно выраженной анизотропией твёрдости.

Аппаратура для определения микротвёрдости разделяется на две

категории: специальные приспособления к серийным микроскопам и самостоятельные приборы – микротвердометры. Специальные при­способления современного уровня выпускаются зарубежными фирма­ми, например, «Лейтц» (ФРГ), «Райхен» (Австрия). Известны микро­твердометры фирмы «Акаси» (Япония) и отечественные приборы-микротвердометры ПМТ-3 и ПМТ-5.

Для определения микротвердости используются аншлифы или брикеты сцементированных отполированных раздробленных фракций рудных минералов. Исследуемые образцы монтируют с помощью пластилина или других вяжущих материалов под прессом, чтобы измеряемая поверхность была строго горизонтальна. Мелкие кристаллы монтируют с помощью эпоксидной смолы. Исследуемый образец помещают на предметный столик микротвердометра и ориентируют относительно нитей окулярного креста и вертикального штриха окуляр-микрометра. Выбирают нагрузку в соответствие с предполагаемой твёрдостью мине­рала. Нагрузку устанавливают на индентор, предметный столик повора­чивают за ручку до упора и образец попадает под алмазную пирамиду. Производят вдавливание алмазной пирамиды под действием гири в те­чение 10-15 секунд, а для очень хрупких минералов – в течение 2–5 се­кунд. Для выбора оптимальной нагрузки руководствуются специальны­ми таблицами. Если нагрузка превышает допустимую, то происходит разрушение минералов (растрескивание, дробление, сколы) как непо­средственно в месте отпечатка, так и вокруг него. Интенсивность раз­рушения усиливается при увеличении нагрузки. Стандартной величиной нагрузки считается нагрузка, равная 100 г.

О хрупкости минералов можно судить по размеру (диаметру) отпечатков, оставленных от статического вдавливания алмазной пирамиды.По хрупкости минералы разделяются на несколько групп по длине диаметра отпечатка (d):

• весьма хрупкие (d < 5 мкн);

• хрупкие (d = 5–10 мкн);

• пластичные (d = 20–25 мкн);

• весьма пластичные (d > 25 мкн).

Примером весьма хрупкого минерала служит пирит, хрупкого -сфалерит, пластичного -галенит, весьма пластичного -галит (кристал­лическая форма каменной соли).

Нагрузка изменяется от 3–10 г для очень мягких минералов до 150–200 г для очень твердых минералов. Минералы средней твёрдости исследуют с нагрузкой 30–100 г.

После вдавливания нагрузку снимают, а предметный столик с об­разцом приводят в прежнее положение. Затем в окуляр наблюдают от­печаток алмазной пирамиды, представляющий собой ромб или квадрат. Искомое значение микротвердости (Н) определяют по таблице: по величине нагрузки (Р) и длине диагонали отпечатка (d). Следует иметь в виду, что значения микротвёрдости одних и тех же минералов изменяются в зависимости от метода полировки аншлифов и от воздействующей нагрузки.

Величину микротвердости можно вычислить по формуле, которую предложили М.М. Хрущев и Е.С. Беркович:

H=1854 P : d².

Измерения микротвёрдости минералов (В.В. Young, A.P. Millman, 1964, С.И.Лебедева, 1963, 1965, 1972) показали зависимость микро­твёрдости минералов от их химического состава, элементов-примесей и микровключений. (Автор использовала опубликованные результаты из­мерений микротвёрдости, которые приводятся в данной работе при опи­сании диагностических свойств рудных минералов в главе 4).