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钻石硬度天花板,为什么一锤子下去先碎的是它?

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钢丝球的花语是什么,这个问题先放一边。真正值得聊的是:看一个材料,不能只盯着硬度。钻石的硬度在自然界几乎封顶,可一锤子砸下去,先崩的往往就是它。


硬度(Hardness)代表的是抗刮擦刻划能力,简单理解就是二者摩擦硬者胜。普通低碳钢的摩氏硬度比玻璃低,所以铁锤能轻松砸碎玻璃,却很难在玻璃上划出印子;翡翠硬度在6.5到7之间,比玻璃硬,就能轻松留痕。

但玻璃的问题不在硬度,在脆。这个脆,对应的概念是韧性。用锤子砸易拉罐,罐子会先变形再断开;砸玻璃,则直接碎成一地。断裂前先变形的叫塑性材料,破坏前几乎没有塑性变形的,叫脆性材料。

差别出在分子之间的连接键上。金属靠金属键连接,没有固定的方向和饱和性,允许晶体之间位错滑移或者孪生,产生塑性变形,可以理解成原子靠类似磁吸的方式连在一起,通过形变吸收冲击。玻璃、钻石则是共价键连接,有方向性和饱和性,像乐高积木只能按固定插槽插接,所以这类物质形成的晶体往往有标准形态——雪花由水分子按氢键方向组成六方晶系,出来的必然是六边形打底,造不出八边的雪。

塑料这类高分子材料又是另一种情况:分子量巨大,像一根根绳索互相缠绕,有更大滑移舒展的潜力,可以通过链段舒展卸力,韧性也就更大。通过交联限制分子链运动,可以增加强度,相对的韧性就会降低。

同样是宝石,韧性评级并不一样。软玉在宝石韧性里属于极韧,经得起精雕细琢;金刚石评级是脆,摔狠了都可能裂,只能进行切割。相同材质的黑金刚石,韧性评级却是极韧。

原因在于结构。钻石是单晶体,一旦产生裂纹,应力就会顺着解理面一路撕开,像指甲旁的毛刺,一撕一片。翡翠和黑金刚石是多晶集合体,由无数不同形态的小晶体交错咬合,组成交织结构,裂纹无法快速从头裂到尾,韧性也就上去了。

这里就引出韧性的一个重要参数:断裂韧性(KIC),即材料阻止裂纹扩展的能力。铁锤的断裂韧性约50+,钻石只有3.4。铁锤和钻石互砸,钻石硬度更高,可以轻松给铁锤干出凹槽,但一旦破防产生裂纹,先碎的必然是钻石。

多大劲能产生第一条裂纹,看的是强度。单晶钻石的抗压强度是天花板级别,大概在9GPa,如果是来自四面八方的静水压力,极度抗压。但丢到液压机上没几下就不大行了,离谱的数值白瞎了。

原因在于泊松效应:材料被拉伸时会变细,被压缩时会变胖,对应的参数是泊松比。现实里侧向膨胀可能受到约束或变形不均,不能完全涨开,内部就会产生侧向拉应力,这股拉应力需要抗拉强度来抗。液压机压东西,很多样件会先从侧边垂直裂开,一般就是这股拉应力在作妖。

钻石的抗拉强度比较拉跨,只有1050-3000MPa,远低于抗压强度。拉应力过高时,很容易出现抗压正欲死战、抗拉何故先降的乌龙。对钻石这种脆性材料来说,产生裂纹就很容易一破到底,彻底崩碎。

单晶钻石还有一个致命罩门——解理面。晶体原子按一定顺序排列堆放组成晶格,某些特定晶面的结合力特别弱,有点像木头上的木纹,顺着木纹劈就更容易劈开。云母属于极完全解理,可以轻松剥成一片一片;金刚石沿{111}解理,食盐沿{100}解理。裂纹刚好顺着解理面产生,金刚石也会很容易被劈开。

这就是钻石明明硬度三维巨高,却可能被锤子砸碎的原因之一。常用的力学参数还有弹性模量、剪切模量、体积模量、屈服强度、抗剪强度、冲击韧性、疲劳强度、延伸率、断面收缩率、蠕变极限……看到这里,快跑。

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