鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

俗話說得好:“沒有金剛鑽,別攬瓷器活”,但有了金剛鑽就可以為所欲為了嗎?

鑽石即金剛石的一種,在莫氏硬度表中以滿分10分登頂榜首,是天然形成的物質中最硬的(鐵塊只有不到5分)。如果用一把鐵錘敲擊鑽石,你會發現鑽石碎一地,鐵錘毫髮無傷,但這並不能說明鑽石是假的。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

我們通常所說的硬度指的是:材料區域性抗擠壓的能力,並不是越硬就越無堅不摧。打個比方,現在有一塊玻璃和一根木棍,我們拿小刀在它們表面輕輕劃幾下,結果是木棍表面會有明顯劃痕,但玻璃表面就很難看出劃痕,這說明了玻璃的硬度比木棍大。

但很多時候,硬度大的物質反而更容易碎。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

我們用木棍來重擊玻璃,結果肯定是玻璃破碎,木棍毫髮無傷。這個結果就需要用脆度(斷裂韌性)來解釋了,所謂的脆度指的是物體在外力作用下,產生微小形變就斷裂的能力。很明顯,拿小刀隨便劃木棍,產生的形變都不會使木棍斷裂,但如果玻璃發生微小的形變,你只要輕輕一按,立即斷成兩半。

硬度和脆度是兩個完全不同的概念,鑽石雖然比鐵錘更硬,但脆度也比鐵錘更大,所以鑽石被鐵錘敲碎一點都不奇怪。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

從微觀的角度來解釋:鑽石本質只是碳原子的正四面體排列而已,這些碳原子之間形成的共價鍵距離短,鍵能大,結合牢固,加上正四面體的結構,這是鑽石硬度大的原因;但受到外力的衝擊時,由於這些四面體結構足夠牢固,所以不會在四面體內部產生斷裂,應力會沿著結晶的面傳導然後堆積,最後在最薄弱的結晶面斷裂,我們稱之為解理。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

鑽石屬於八面體中等解理,四面體會結合成一個發育完全的八面體,解理方向也是平行於八面體面的方向。通常是在網面間距離最大,引力最小的位置,鑽石外部只要有一點輕微的裂痕,解理面就會整個斷裂。如果現在有一個1立方米的巨型鑽石,你拿大錘砸的稀巴爛,最後會發現這些砸碎的鑽石都是呈現小八面體的結構,鑽石的切割工藝也是根據這種解理的脆性分佈來操作的。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

這種脆性在科學上也有專門的研究方向——斷裂力學,這是一門在1945年的二戰後才興起的材料科學,而關於脆性(斷裂力學)最著名的應該是泰坦尼克號沉沒事件了。

鑽石比鐵錘更硬,為什麼相撞卻是鑽石碎?

1912年,號稱永不沉沒的泰坦尼克號,在大西洋撞擊冰山斷成兩截,事後調查人員發現當時冰山撞擊損壞的位置是船身在海面的吃水線位置,正好這個位置的鋼材是由多塊9米長的鋼材焊接成的,這些鋼材在製造過程中混入了較多的硫,以硫化亞鐵的形式摻入船體中,導致船體的脆性增加。由於科學技術原因,造船師在當時只考慮了鋼板的強度卻忽視了斷裂韌性,加上當時駛過的海域溫度在0度以下,高溫和低溫都會使船身鋼材的脆度增加,最後含硫的鋼板斷裂,導致整個船身出現巨大裂縫,這才釀成了一起悲劇。

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