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為什麼鐵錘可以砸碎鑽石

生活 更新时间:2024-12-27 18:11:01

俗話說得好:“沒有金剛鑽,别攬瓷器活”,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(鐵塊隻有不到5分)。如果用一把鐵錘敲擊鑽石,你會發現鑽石碎一地,鐵錘毫發無傷,但這并不能說明鑽石是假的。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)1

我們通常所說的硬度指的是:材料局部抗擠壓的能力,并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。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)2

我們用木棍來重擊玻璃,結果肯定是玻璃破碎,木棍毫發無傷。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,産生微小形變就斷裂的能力。很明顯,拿小刀随便劃木棍,産生的形變都不會使木棍斷裂,但如果玻璃發生微小的形變,你隻要輕輕一按,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。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)3

從微觀的角度來解釋:鑽石本質隻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;但受到外力的沖擊時,由于這些四面體結構足夠牢固,所以不會在四面體内部産生斷裂,應力會沿着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。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)4

鑽石屬于八面體中等解理,四面體會結合成一個發育完全的八面體,解理方向也是平行于八面體面的方向。通常是在網面間距離最大,引力最小的位置,鑽石外部隻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布來操作的。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)5

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,而關于脆性(斷裂力學)最著名的應該是泰坦尼克号沉沒事件了。

為什麼鐵錘可以砸碎鑽石(鑽石比鐵錘更硬)6

1912年,号稱永不沉沒的泰坦尼克号,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,這些鋼材在制造過程中混入了較多的硫,以硫化亞鐵的形式摻入船體中,導緻船體的脆性增加。由于科學技術原因,造船師在當時隻考慮了鋼闆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,最後含硫的鋼闆斷裂,導緻整個船身出現巨大裂縫,這才釀成了一起悲劇。

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