Tvrdost vs houževnatost

Úvod

Diamant tróni sám na vrchole Mohsovej stupnice tvrdosti – dokonalá 10. Žiadny prírodný materiál ho nedokáže poškriabať. Táto skutočnosť je tak všeobecne známa, že sa stala skratkou pre nezničiteľnosť: diamanty sú večné, diamanty sú nerozbitné, diamanty sú najodolnejšia vec na Zemi.

Prvé dve tvrdenia sú sporné. Tretie je jednoducho nesprávne.

Tvrdosť a húževnatosť sú odlišné fyzikálne vlastnosti a ich zamieňanie je jedným z najčastejších mylných predstáv v gemologickom svete. Diamant odoláva poškriabaniu lepšie ako ktorýkoľvek iný minerál, no správne umiestneným úderom ho možno absolútne odštiepiť, prasknúť alebo rozdeliť na dve časti. Pochopenie tohto rozdielu je dôležité – ovplyvňuje to, ako sa diamanty brúsia, ako sa majú osádzať a ako opatrne sa musia nosiť.

Tento článok vysvetľuje, čo tvrdosť skutočne meria, prečo je húževnatosť samostatným problémom a čo obe vlastnosti znamenajú pre každého, kto si kupuje alebo nosí diamant. Pre pochopenie kryštálovej štruktúry, ktorá diamantu dodáva tieto vlastnosti, si pozrite Kryštálová štruktúra diamantu.

Kľúčové body

Čo znamená tvrdosť

Tvrdosť v gemológii a mineralógii je odolnosť proti poškriabaniu – schopnosť povrchu materiálu odolávať posunu tvrdším predmetom, ktorý sa po ňom tiahne. Je to povrchová vlastnosť. Mohsova stupnica, ktorú v roku 1812 vyvinul Friedrich Mohs, radí desať referenčných minerálov podľa ich schopnosti navzájom sa poškriabať:

1. Mastenec
2. Sadrovec
3. Kalcit
4. Fluorit
5. Apatit
6. Ortoklas (živec)
7. Kremeň
8. Topás
9. Korund (rubín, zafír)
10. Diamant

Stupnica je ordinálna, nie lineárna. Medzera medzi jednotlivými stupňami nie je rovnomerná. Skok z korundu (9) na diamant (10) je oveľa väčší ako ktorýkoľvek iný skok na stupnici. Na stupnici absolútnej tvrdosti meranej indentizačnými testami (Vickersova alebo Knoopova metóda) je diamant približne štyrikrát tvrdší ako korund. Tento rozdiel jedného bodu na Mohsovej stupnici skrýva obrovský reálny rozdiel.

Čo to v praxi znamená: žiadny prírodný materiál a veľmi málo syntetických materiálov nedokáže poškriabať diamant. Diamant môže poškriabať iba iný diamant (alebo určité umelé materiály, ako je nitrid bóru za špecifických podmienok). Preto diamant zostáva štandardným abrazívom na rezanie a leštenie drahokamov – vrátane iných diamantov.

Čo znamená húževnatosť

Húževnatosť je odolnosť proti lomu – schopnosť materiálu absorbovať energiu nárazu bez toho, aby sa zlomil. Zatiaľ čo tvrdosť je o povrchovej odolnosti, húževnatosť je o štrukturálnej odolnosti. Húževnatý materiál sa môže deformovať alebo absorbovať úder bez prasknutia. Tvrdý, ale krehký materiál odoláva poškodeniu povrchu, ale pri správnom type namáhania sa rozbije.

Diamant je tvrdý, no len mierne húževnatý. Na porovnávacej stupnici je nefrit (nefrit) výrazne húževnatejší ako diamant, napriek tomu, že je oveľa mäkší. Prepletená vláknitá kryštálová štruktúra nefritu absorbuje energiu nárazu tým, že ju rozdeľuje cez milióny drobných prepletených vlákien. Pevná, smerová väzba diamantu robí opak – efektívne prenáša silu pozdĺž špecifických kryštalografických plôch, a ak táto sila prekročí pevnosť väzby naprieč štiepnou plochou, kryštál sa rozštiepi.

Toto nie je chyba. Je to dôsledok atómovej architektúry diamantu. Rovnaká väzba uhlíka sp3, ktorá robí diamant mimoriadne tvrdým, ho tiež spôsobuje, že sa čisto štiepi pozdĺž definovaných smerov. Tvrdosť a krehkosť v prípade diamantu zdieľajú rovnaký štrukturálny pôvod.

Štiepateľnosť – definovaná slabosť diamantu

Diamant sa štiepi pozdĺž svojich štyroch {111} oktaédrických plôch – rovnakých plôch, ktoré tvoria steny oktaédrického kryštálu. Pozdĺž týchto smerov je hustota uhlíkovo-uhlíkových väzieb prechádzajúcich rovinou nižšia ako v iných orientáciách. Ak sa na jednu z týchto plôch aplikuje dostatočná sila kolmo, kryštál sa čisto oddelí.

Štiepateľnosť nie je náhodný zlom. Je to presná, smerová vlastnosť. Brúsič diamantov dokáže umiestniť čepeľ pozdĺž štiepnej plochy a rozdeliť surový kameň jediným kontrolovaným úderom. Táto technika bola po stáročia primárnou metódou delenia surových diamantov, kým sa rozšírilo mechanické pílenie. Používa sa aj dnes na špecifické aplikácie – napríklad na odstránenie inklúzie blízko povrchu alebo na rozdelenie neforemného surového kryštálu.

Pre nositeľov diamantov znamená štiepateľnosť zraniteľnosť v špecifických bodoch. Ostrý úder na tenkú hranu, špicatý hrot alebo nožový girdle môže iniciovať štiepenie pozdĺž jednej zo štyroch {111} plôch. Výsledkom je odštiepenie – malý, plocho lícovaný zlom, ktorý sleduje smer štiepenia – alebo v extrémnych prípadoch úplný lom kameňa.

Smerová tvrdosť – v niektorých smeroch tvrdší ako v iných

Tvrdosť diamantu nie je rovnomerná. Líši sa v závislosti od kryštalografického smeru – vlastnosť nazývaná anizotropia tvrdosti. Kameň je mierne tvrdší pri meraní kolmo na oktaédrické {111} plochy a mierne mäkší rovnobežne s nimi. Variácia je merateľná: Knoopove testy tvrdosti ukazujú hodnoty v rozsahu približne 5 700 až 10 400 kg/mm2 v závislosti od smeru a testovanej kryštálovej plochy.

Táto anizotropia nie je len akademická. Je to dôvod, prečo leštenie diamantov vôbec funguje. Keď brúsič diamantov umiestni kameň proti rotujúcemu liatinovému kotúču (scaife) nabitému diamantovým práškom, kotúč dokáže odstrániť materiál z kameňa iba vtedy, ak útočí v smere, kde je kameň relatívne mäkší ako abrazívne častice. Ak brúsič orientuje kameň tak, že jeho najtvrdší smer je otočený k kotúču, leštenie sa efektívne zastaví. Skúsení brúsiči sa učia čítať zrnitosť každého kameňa a podľa toho prispôsobiť svoj prístup.

To je tiež dôvod, prečo určité spoje faziet na hotovom diamante môžu pod zväčšením vykazovať jemné stopy po leštení alebo ťahané čiary – fazetovač narazil na tvrdší smer zrna uprostred fazety. Moderné leštiace techniky a vybavenie tento problém znížili, ale zostáva faktorom pri hodnotení kvality povrchovej úpravy.

Lom vs. štiepateľnosť

Nie všetky zlomy v diamante sledujú štiepne roviny. Keď sa diamant zlomí v smere, ktorý sa nezhoduje s {111}, výsledkom je lastúrový lom – nepravidelný, zakrivený povrch lomu podobný tomu, čo vidíte na rozbitom skle. Lastúrový lom v diamante je menej častý ako štiepateľnosť, pretože štiepne roviny sú dobre definované a preferenčné, ale dochádza k nemu pri vysokoenergetických nárazoch alebo keď sa sila aplikuje v smeroch medzi štiepnymi rovinami.

Rozdiel je dôležitý pre posúdenie. Odštiepenie pozdĺž štiepnej roviny má rovný, stupňovitý povrch. Lastúrový lom má zakrivený, škrupinovitý povrch. Obidva sú poškodením, ale štiepny zlom sa s väčšou pravdepodobnosťou rozšíri, ak sa kameň opäť udrie v rovnakom smere, pretože exponovaný štiepny povrch poskytuje pripravený iniciačný bod pre ďalšie štiepenie.

Riziká odštiepenia pri každodennom nosení

Diamanty v šperkoch čelia reálnym nárazom: náraz prsteňa o zárubňu dverí, pád náušnice na dlažbu, zachytenie prívesku o zips. Či tieto incidenty spôsobia poškodenie, závisí od niekoľkých faktorov:

Kde úder dopadne. Tenké oblasti sú najzraniteľnejšie. Obruba s nožovou hranou – obruba vyleštená do extrémne tenkej hrany – koncentruje silu nárazu do jednej línie a je najnáchylnejšou vlastnosťou hotového diamantu na odštiepenie. Špicaté hroty brusu markíza, hruška a srdce sú rovnako ohrozené. Tenká hrana na špičke má minimálny materiál na absorbovanie sily.

Smer úderu. Úder zarovnaný so smerom štiepenia je oveľa nebezpečnejší ako ten, ktorý narazí na kameň pod šikmým uhlom ku všetkým štyrom {111} rovinám. To je čiastočne dôvod, prečo sú okrúhle brilianty, ktoré nemajú žiadne exponované body a typicky majú strednú až mierne hrubú obrubu, v praxi najodolnejším tvarom.

Prítomnosť existujúcich inklúzií. Inklúzia blízko obruby alebo perie siahajúce k povrchu môže pôsobiť ako koncentrátor napätia. Pri náraze sa prasklina môže šíriť z inklúzie pozdĺž štiepnej roviny, čím sa menšia chyba premení na viditeľné odštiepenie.

Dizajn osadenia. Osadenia s krapňami, ktoré bezpečne držia obrubu, ale nevytvárajú tlakové body, chránia lepšie ako voľné alebo zle umiestnené krapne. V-krapne alebo lunety na špicatých hrotoch chránia najzraniteľnejšie oblasti. Kanálové a lunetové osadenia, ktoré úplne obopínajú obrubu, ponúkajú najvyššiu úroveň fyzickej ochrany.

Praktické pokyny

• Okrúhly briliant
  – tvar najodolnejší voči odštiepeniu vďaka svojej súvislej zakrivenej obrubke a absencii ostrých hrotov. Stredná obruba poskytuje dobrú ochranu bez skrytia nadmernej hmotnosti.
• Markíza, hruška, srdce
  – chráňte špicaté hroty V-krapňami alebo čiastočnými lunetami. Vyhnite sa noseniu týchto tvarov pri manuálnej práci.
• Smaragdový a Asscherov brus
  – stupňovito brúsené rohy sú menej zraniteľné ako hroty, ale otvorená tabuľka robí vnútorné vlastnosti viditeľnejšími. Skosené rohy na smaragdových brusoch už znižujú riziko odštiepenia.
• Princess
  – štyri ostré, nechránené rohy sú najnáchylnejšou vlastnosťou na odštiepenie zo všetkých štandardných tvarov. V-krapne na všetkých štyroch rohoch sú nevyhnutné.
• Hrúbka obruby – vyhnite sa extrémne tenkým (nožovým) obrubám. Tenká až stredná obruba vyvažuje ochranu a vzhľad zhora.
• Odstráňte prstene počas činností s vysokým nárazom. Záhradkárčenie, cvičenie v posilňovni, domáce opravy – akákoľvek činnosť zahŕňajúca tvrdé povrchy a náhly kontakt zvyšuje riziko odštiepenia.
• Poisťujte významné kamene. Aj pri opatrnom nosení sa stávajú nehody. Poistenie poskytuje praktickú ochranu tam, kde fyzika nemôže.

Často kladené otázky

Môže sa diamant zlomiť alebo odštiepiť?

Áno. Diamant je najtvrdší prírodný materiál (Mohsova stupnica 10), čo znamená, že ho nič nedokáže poškriabať, ale môže sa odštiepiť alebo rozštiepiť pozdĺž svojich štyroch štiepnych plôch. Tenké hrany, špicaté hroty a nožové obruby sú najzraniteľnejšími oblasťami. Ostrý úder pod správnym uhlom môže spôsobiť poškodenie.

Aký je rozdiel medzi tvrdosťou a húževnatosťou?

Tvrdosť je odolnosť proti poškriabaniu – povrchová vlastnosť. Húževnatosť je odolnosť proti lomu – schopnosť absorbovať náraz bez zlomenia. Diamant vyniká tvrdosťou, ale je len mierne húževnatý. Nefrit (nefrit), napríklad, je oveľa mäkší ako diamant, ale výrazne húževnatejší vďaka svojej prepletenej vláknitej štruktúre.

Ktoré tvary diamantov sú najnáchylnejšie na odštiepenie?

Tvary s ostrými, exponovanými hrotmi sú najzraniteľnejšie. Brúsené tvary Princess (štyri nechránené rohy) nesú najvyššie riziko odštiepenia a mali by byť vždy osadené V-krapňami. Tvary markíza, hruška a srdce majú špicaté hroty, ktoré tiež potrebujú ochranné osadenie. Okrúhle brilianty sú najodolnejšie voči odštiepeniu vďaka svojej súvislej zakrivenej obrubke.

Mám si zložiť diamantový prsteň počas fyzických aktivít?

Áno. Záhradkárčenie, cvičenie v posilňovni, domáce opravy a akákoľvek činnosť zahŕňajúca tvrdé povrchy zvyšuje riziko odštiepenia. Aj keď diamant odoláva poškriabaniu, nárazové sily pozdĺž štiepnych smerov môžu spôsobiť odštiepenie, najmä na tenkých hranách obruby alebo v blízkosti existujúcich inklúzií.

Zhrnutie

Najvyššia tvrdosť diamantu – jeho bezkonkurenčná odolnosť proti poškriabaniu – je skutočná a pozoruhodná. Ale tvrdosť nie je húževnatosť, a „najtvrdší“ neznamená „najsilnejší“. Diamant sa štiepi pozdĺž štyroch oktaédrických rovín, odštiepuje sa na tenkých hranách a špicatých hrotoch a jeho tvrdosť sa mení v závislosti od kryštalografického smeru. To nie sú chyby materiálu; sú to dôsledky rovnakej atómovej štruktúry, ktorá robí diamant výnimočným. Ich pochopenie znamená, že si môžete vybrať tvary, osadenia a návyky nosenia, ktoré udržia diamant v takom stave, aký má byť – tak dlho, ako má byť.