宝石及宝玉石材料的力学性质

宝石及宝玉石材料的力学性质是指宝石及宝玉石材料在力的作用下所表现出来的性质。主要是解理、硬度和密度。这些性质还决定于其化学成分和内部结构，具有一定化学成分和一定结构的晶体，其物理性质表现了晶体的对称性和异向性。人们研究其力学性质依然是为了区别和鉴定宝玉石。但是其中的解理和硬度是破坏性的，对宝玉石饰品来说是不允许的。只有在允许的情况下，对宝玉石材料方可以实验。

一、解理、裂开及断口

（一）解理

解理是宝石矿物受力（敲打、挤压等）的作用后沿一定方向分裂成光滑平面的性质。分裂而成的平面称为解理面，当受力后不沿一定方向分裂，形成的不平的断裂面则称“断口”。解理既然是沿一定方向分裂，它就一定具有方向性，这个方向可以是晶体结构中质点密度最大的方向，也可以是内部结构中阴阳离子电性中和面的方向等。总之解理面的方向是沿晶体结构中连接力量较弱的方向产生的。

根据解理的完全程度可分为以下几种。

（1）极完全解理：出现在薄板状、片状晶体，为在外力作用下极易裂成薄片的性质，这在宝石矿物中不多见。

（2）完全解理：在外力作用下易形成解理块，解理面也比较平滑，如方解石的解理。

（3）中等解理：在外力作用下可产生明显的解理，解理面不太连续也不太光滑，解理面上有断口出现，如普通辉石、长石等的解理。

（4）不完全解理：在外力作用下不太容易裂出解理面，解理面小而不平整，常见不平整的断口，如磷灰石的解理。

（5）极不完全解理：在外力作用下很难出现解理面，有解理而实际上不容易见到，只有在某些情况下，才表现出一定方向的破裂面，在碎块上也见不到解理面，而断口明显，如水晶就有这种性质。

各种解理等级的特征如表3-2-1所示，在实际生活中遇到的宝石矿物经常还有以上5种解理之间的过渡状态。如萤石的解理即介于完全解理和中等解理之间，在描述时写为中等到完全则较为确切。

表3-2-1　各解理等级特征

观察解理面应该注意解理面与晶体定向的关系，以定解理的方向，同时也应该注意解理面与晶面的区别。

晶面是晶体最外层的表面，可以受击破而不存在。晶面一般看上去不干净、不新鲜而且常常有凹凸现象，或不太平整，有的还具有晶面条纹或各种纹饰。

解理面是在晶体内部（指表面之内）受力以后产生的平面，受力以后可连续平行出现，看上去面平整而新鲜、光滑、明亮，甚至可出现阶梯状解理面或解理纹，表面无纹饰。解理面与晶面的区别如表3-2-2所示。

表3-2-2　解理面与晶面的区别

由表3-2-1可以看出解理面完全的程度与断口的发育程度，其难易程度互为消长。也就是说，一个晶体上，如被解理面包围越多，则断口出现的越少。如萤石、方解石解理发育，在其晶体上要发现断口是比较困难的。平行于不同单形的解理面其完整程度也可以不同。如长石平行｛001｝解理完全，而平行于｛010｝有两组解理中等。不同宝石矿物的解理方向和完全程度不同；也有的解理方向组数相同而解理的夹角不同。如辉石平行｛110｝有两组解理，其夹角分别为87°和93°；角闪石平行｛110｝的两组解理，其夹角分别为124°和56°。这是肉眼区别辉石与角闪石矿物的重要依据。解理的表示方法为以结晶体的单形符号表示方向（及组数），前加平行符号即可，如上述的辉石解理可表示为∥｛110｝＃，或在右上角加“＃”号以示解理之意。常见宝石矿物的解理，如表3-2-3所示。

晶体的解理是严格受晶体的内部结构控制的，所以它同样体现出了晶体的异向性和对称性。例如平行立方体方向的解理，就有3组互相垂直的理解面，如图3-2-1（a）所示；平行八面体方向的解理，就有4组等同的解理面，如图3-2-1（b）所示；平行菱形十二面体方向的解理，就有6组等同的解理面，如图3-2-1（c）所示；同理，平行菱面体方向、斜方柱方向、底面方向的解理，相应的有3组、2组和1组解理面，如图3-2-1（d）、图3-2-1（e）和图3-2-1（f）所示。解理对宝石检测、加工有直接的影响，它固然是可作鉴定的依据，但会对加工带来不利。首先要看清楚解理是否在晶体的破裂口上，是否有一系列呈阶梯状的平面。解理是沿内部格子构造中互相平行的面网裂开的，所以往往是呈阶梯状出现。有解理的晶体加工时，就有可能因受力而沿解理破碎成为废品。

如在加工黄玉时，要使黄玉的台面与∥｛001｝＃的完全解理面呈5°～12°的夹角［（图3-2-2（a）和图3-2-2（b）］，否则在细磨抛光时会产生粗糙面和不均匀的抛光面。

图3-2-1　解理对称性和异向性的表现

图3-2-2　黄玉晶体及其解理方向

表3-2-3　几种常见宝石矿物的解理

（二）裂开

裂开产生的原因和表现都不同于解理，裂开是在某些宝石矿物上由于包体夹层或双晶接合面形成的，也有的为在地质作用过程中，受到外力的作用而产生的结构软弱面。因受外力作用后，沿一定结晶方向分裂成大致平整的平面称为裂开。如红宝石、蓝宝石矿物材料具有平行｝的裂开，有的还有平行｛0001｝的裂开。它与解理有所不同，其不同点为：解理与宝石矿物晶体的结构有关，可发生在一定结晶结合力弱的方向，外观上解理纹之间呈等距离的直、细条纹，同一种宝石矿物不论产地、产状如何都会具有相同的解理；而裂开只发生在某些固定方向，外观上裂开纹距离不均等，不太平直，也不是同种宝石矿物一定都具有，不同产地、不同产状的还可以有些差异。解理与裂开的区别如表3-2-4所示。

表3-2-4　解理与裂开的区别

（三）断口

断口也叫破口，它是随受力的方向而产生的破裂面。断口无固定的方向性，在非晶质体及晶质体上皆可发生。断口常随物质不同而有着一定的形态，所以也有一定的鉴定意义。常见的断口有以下几种。

图3-2-3　黑曜石（天然玻璃）的贝壳状断口

1.贝壳状断口

断口面的形状如同贝壳，几乎呈圆形，具不太规则的弧形条纹，为一比较圆滑的曲面，如图3-2-3所示。这种断口出现在玻璃及水晶类之上。还有一种类似贝壳状而弧形条纹很不规则的断口，如橄榄石、石榴石之类的断口归于此类之中。

2.参差状断口

断口面呈参差状，面不规则，有人称此种断口为不规则断口。

3.锯齿状断口

断口如同尖锐的锯齿，一些金属类矿物如自然金等的断口即是。一些非金属玉石类矿物集合体，由于纤维状构造也会形成这种断口。如软玉等的断口即属于此。

4.土状断口

土状断口为一些土状粗糙的断口面，如绿松石等具有这种断口。断口与解理完全的程度互为消长，即解理愈完全断口愈难出现；解理愈不完全，断口就愈显著。

二、硬度

硬度是宝石及宝玉石材料抵抗刻划、压入或研磨的能力。这种能力主要取决于晶体内部质点间连结力的强弱。它与化学键的类型及其强弱有密切的关系。一般是具有典型共价键的宝石矿物硬度最大（如金刚石）；具离子键的硬度比较大（如红、蓝宝石及各种宝石类矿物）；其他如金属键、分子键等的矿物，硬度则小。进一步说，在宝石矿物的晶体内部结构中，离子电价的高低、离子半径的大小、阴阳离子间的距离、吸引力的大小、配位数的多少和质点间排列的紧密程度都影响着硬度的大小和变化。不同宝石矿物其结构、成分不同而硬度不同，所以硬度是鉴定宝石及宝玉石材料的重要依据之一。

（一）摩氏硬度

在普通检测中一直沿用摩氏硬度，摩氏硬度是1822年由德国学者Friedrich Mohs提出的。其方法为选用10种常见矿物（这10种矿物几乎皆属于宝石矿物）作为10个硬度标准等级，互相刻划定出相对硬度，故称“刻划法”，这10种矿物被称为摩氏硬度计。摩氏硬度计为：硬度1——滑石；硬度2——石膏；硬度3——方解石；硬度4——萤石；硬度5——磷灰石；硬度6——正长石；硬度7——石英；硬度8——黄玉；硬度9——刚玉；硬度10——金刚石。

图3-2-4　硬度笔（10支装）

当前市场上将这10种硬度的标准矿物分别镶在10支笔杆尖端，注明摩氏硬度数字的笔称硬度笔，装入盒中销售。如图3-2-4所示。

矿物硬度的符号一般用H来表示。为表明摩氏硬度又用Hm表示，以与另一种维氏硬度相区别。

例如某未知宝石矿物能刻动方解石（不能被方解石刻动）而又能被磷灰石刻动，所以该未知宝石矿物的硬度介于3～5之间，可定为H＝4；又如某宝石矿物能刻动正长石，又可被石英所刻动，则此宝石矿物的硬度介于6～7之间，可定为H＝6.5；又如一未知宝石矿物可以自身的棱角刻动刚玉，而又可以为刚玉所刻动，则此矿物可定为Hm＝9。

（二）维氏硬度

精密地测定宝石矿物的硬度一般用显微硬度计，为测定其压入硬度（有人称为绝对硬度）。目前应用较广的是维克（Vicker）法，又称维氏法。其方法为在宝石矿物的磨光面上，以金刚石锥加上一定的重量负荷压入磨光面，在磨光面上则显现四方锥压痕凹坑，然后测量压痕的对角线长度（也就是压痕的大小），如图3-2-5所示，查表即得每平方毫米上宝石矿物的硬度值，也称维氏硬度，可以Hv表示。

计算公式为：

式中，Hv为显微硬度值，单位为kg／mm2；p为角锥上加的负荷，质量单位为负荷；d为压痕的对角线长度，单位为mm；α为金刚石角锥相对面夹角，为136°。要测量很多个d值，然后取平均值，以弥补测量长度的肉眼误差和磨光面上的细微变化。

图3-2-5　维氏压头及其压痕形态

应用维克压入法测定硬度比刻划法测量宝石矿物的硬度较为精确。在应用时还可以换算成摩氏硬度（图3-2-6）。目前常见的测显微硬度仪器为赫鲁晓夫型硬度计。摩氏硬度（Hm）与维氏硬度（Hv）之间可以比较粗略地转换，如图3-2-6（a）和图3-2-6（b）所示。转换关系为：Hm＝0.675；Hv＝3.25。但这一计算关系不适用于金刚石，因为摩氏硬度不是硬度间隔等同的数字关系。

摩氏硬度与其他的硬度实测数值关系如表3-2-5所示。

图3-2-6　摩氏硬度与显微硬度、维氏显微硬度之间的转换关系(www.xing528.com)

表3-2-5　摩氏硬度与其他硬度对比

续表3-2-5

检测硬度的方法还有很多，如1935年Charls Woodel修正了的摩氏硬度。他是以标准化磨蚀法为基础，对摩氏硬度作了修正，修正后的数据可称Mohs-Woodel硬度，以Hw表示。如表3-2-5中4所示。还有罗氏相对研磨硬度，是以石英为100来计算的，可以HL表示，如表3-2-5中3所示；也还有诺普（Knoop）硬度，以Hk表示，如表3-2-5中5所示。

这些方法各有其特点，虽然也比摩氏硬度精确合理些，但是人们在检测硬度过程中常用的还是传统的、比较简便的摩氏硬度。

检测宝玉石矿物硬度应该注意以下几点。

（1）摩氏硬度计中10种矿物硬度大小并不连续，也不成相等比例间隔。如硬度为8的黄玉并不是硬度为4的萤石的2倍，如果将摩氏硬度值与维克硬度值作比较，由图3-2-6可明确看出两者的关系及摩氏硬度的不均匀性。

（2）摩氏硬度一般只表示到0.5，而无0.1、0.2、0.3等小数。

（3）摩氏硬度方法简便，易被人们所接受，而还有更简单的方法是用指甲（Hm＝2.5）、小刀（Hm＝5.5）或玻璃（Hm＝5.5）及石英（Hm＝7）来划分，如硬度大于小刀，小于石英，表示Hm＝5.5到7之间，用6～6.5来粗略地表示，一般不用Hm，只用H来表示。

（4）有矿物经过风化，表面硬度降低，所以测量硬度须选择新鲜表面以免出现错误。另外也要注意，一些新鲜的光滑表面易于擦滑，切不可误认为硬度过大。

（5）硬度刻划属破坏性实验，切勿用于宝石或宝玉石成品、饰品表面。用显微硬度仪测试压痕坑极小，在显微镜下才能看到，所以一般不影响宝玉石材料外观，但是也要在必要和允许的情况下方可考虑使用。

（6）一些棱直角尖、光亮的表面，如戒面之类，往往是硬度大的表现；光亮平滑的表面上有细擦痕纵横，甚至重者失去光泽，为硬度较小的象征。

（7）硬度既然和宝石矿物晶体的内部结构紧密相关，它就存在有异向性。如金刚石在（111）晶面上的硬度为最大，而在（110）晶面上的硬度次之，在（100）晶面上的硬度为最小，其原因为随不同晶面的质点排列密度不同而异。又如有的宝石矿物在同一晶面上随方向不同而硬度不同。如在第九章中所述的有“二硬石”之称的蓝晶石晶体（详见第九章蓝晶石）即是。

三、密度与相对密度

宝石和宝玉石材料的密度也和其他物理性质一样，反映了宝玉石的物质组成和晶体结构。宝石矿物的密度是指宝石矿物单位体积的质量，其表示单位为g／cm3。计算宝石矿物的密度是以水为标准，水的密度为1g／cm3。宝石矿物的相对密度和密度在数值上是相同的，只不过从意义上讲相对密度是指宝石矿物在标准大气压下4℃时与同体积水的质量之比。相对密度可以用Dm表示。本书中对宝玉石的描述皆用的是相对密度，为简便起见皆以“密度”二字表示。相对密度决定于其化学成分和内部结构，这主要与其化学组成元素的原子量及在内部结构中的排列紧密程度有关。原子量越高，密度越大，如自然重金属的密度最高可到23，非金属与轻金属化合物的密度一般皆小于3.5。原子量及离子半径的大小也直接影响着密度，如原子量大相对密度随之加大。在类质同象置换中密度常随成分种类及含量的变化而变化，如镁橄榄石（Mg2［SiO4］）-铁橄榄石（Fe2［SiO4］）系列中当镁原子为原子量较大的铁原子所置换时，则密度也随之增大，由镁橄榄石的3.27，增至铁橄榄石的4.4。在原子周期表上同族元素自上而下，原子量相对增大，而原子（离子）半径也在增大，因此原子（离子）体积及间距随之增大，这会引起其相对密度减小。当原子量增加所引起的密度升高，不能抵消由于半径增大所引起的密度降低时，尽管原子量增大，密度也不一定增大。如方解石（CaCO3）与菱镁矿（MgCO3），Ca的原子量为40.08，Mg的原子量为24.32，其相对密度菱镁矿（2.9～3.1）大于方解石（2.6～2.9），其原因为Ca2＋的离子半径（0.108nm）大于Mg2＋的离子半径（0.088nm）所致。

另外，在宝石矿物结构中紧密堆积的程度也直接决定着密度，堆积越紧密，密度会愈大，如金刚石碳的配位数为4，结构极为紧密，其相对密度为3.47～3.56；石墨的成分同为碳，但其结构松弛，碳的配位数为3，所以其密度也仅有2.09～2.23。影响密度的还有温度和压力，无疑温度高，结构松弛，配位数降低，易于形成密度小的宝石矿物；压力大则有利于形成密度大的宝石矿物。

在日常工作中常把密度分为三小级。

（1）重量级：密度大于4的，如一些贵重金属，如自然金（15.6～19.3）等。

（2）中量级：密度在2.5～4之间，这类宝石矿物最多，如水晶（2.65）、金刚石（3.52）等。

（3）轻量级：密度在2.5以下，如石膏（2.3）、琥珀（1.08）等。

检测宝玉石密度的方法有很多，最简单的莫过于用手掂量，掂在手中有重的感觉者常为重量级，一般感觉者为中量级，有轻的感觉者为轻量级，这靠的是经验，是非常粗略的，极不精确而又常用。

比较常用的测量宝石矿物密度的方法有静水力学法及重液法。

（一）静水力学方法

如果宝玉石在空气中的质量为p（单位为g），在温度为4℃的水中的质量为p1（单位为g），则p-p1相当于同体积水的质量，故宝玉石矿物的相对密度（Dm）可表示为：

由于水具有较大的表面张力，在测定时会形成误差，故测试时往往采用其他液体，如乙醇、二甲苯、四氯化碳等，如表3-2-6所示。这些液体的密度不等于1，测定时需要按公式校正。

表3-2-6　若干液体在不同温度下的密度（g／m3）

例如，一宝石质量为4ct，在28℃的四氯化碳中的质量是2.42ct，由表3-2-6查得28℃时四氯化碳的密度是1.579，代入公式，得出该宝石的相对密度：

查表即得此宝石矿物为刚玉。

用静水力学法测定密度用的仪器一般有克拉比重天平及双盘天平。

克拉比重天平是一种单盘电动天平。天平盘上有2个秤盘和装试液的玻璃杯，一个秤盘在空气中；另一个可浸没于液体中，分别用以测宝玉石在空气中的质量和在液体中的质量，所测数据代入公式即可。

所称宝石体积大者可用换装试液的大容器、大天平测得，如图3-2-7（a）所示。

双盘天平如图3-2-7（b）所示，即先将宝玉石测出在空气中的质量，然后再放入液体中称出其质量，将此两数据代入公式即得。

图3-2-7　单盘电动天平和双盘天平的改装

一般测宝玉石的密度也可以用如下方法，即用克拉比重天平类似的办法。

宝石的质量在空气中先测出，宝石在水中的质量则可利用一个支架、一段细铜丝、一个烧杯、一个支托直接在托盘天平上测出，方法如图3-2-8所示。

（1）第一次称出样品在空气中的质量p1，第二次称出样品在溶液中的质量p2，把两次的读数进行计算。

式中，D为宝石密度；p1为宝石在空气中的质量；p2为宝石在水中的质量。

（2）如果用其他液体测定，则必须应用下列公式：

式中，D为宝石密度；p1为宝石在空气中的质量；p2为宝石在水中的质量；d为所用液体的密度。

图3-2-8　宝玉石密度的测定方法

1.支架升降螺；2.细铜丝；3.样品A在空气中，B在溶液中；4.烧杯；5.支托；6.天平托盘；7.天平

测试中要注意：秤盘要在中心，歪斜则不正确，必须要调整好再测。宝玉石样品要在测前擦拭干净，按操作键使秤盘重量归零，然后将宝玉石放在空气秤盘上，按操作键测得在空气中的质量（p1），然后再将宝石放入液体秤盘中，按操作键，测出天平上的数据则为宝石在水中的质量（p2），宝玉石在空气中质量减去在液体中质量的差值A（即p1-p2），代入公式，宝玉石密度Dm＝（p／A）·X（液体密度），单位为g／cm3。

不论是用克拉比重天平还是用双盘天平，都必须先将天平处于零位。先测宝石在空气中的质量，再测其在液体中的质量（不能先测在液体中的质量，以免宝石上面沾上液体，使质量变大），要随时测量环境温度，根据温度相应的溶液密度值代入公式。测前还要仔细观察样品的纯净度，样品不纯会造成很大误差，另外多孔的、不致密的宝石则不宜应用本法测试。

（二）重液法测试

首先要具有一套密度不同的重液，通常使用的有：饱和盐水溶液（密度为1.13g／cm3），三溴甲烷（密度为2.9g／cm3），二碘甲烷（密度为3.33g／cm3），克来里奇液（密度为4.15g／cm3）。

这几种重液可以按比例与其他溶液相混合，制成各种密度的液体。如在三溴甲烷中加乙醇稀释可配制出密度为2.5～2.9的系列密度液；二碘甲烷加二甲苯稀释可制成密度为2.9～3.33的系列密度液；克来里奇液加水，可配制成密度为3.33～4的系列密度液等。这种不同重液有不同的、固定的稀释剂。这样即可将宝玉石样品放入混合重液中，作指示剂看其悬浮情况。如样品漂浮在溶液面上，说明其密度小于重液；沉于重液之底，说明该样品密度大于此重液；悬浮于重液的任意位置，其密度才与重液密度相当。图3-2-9为祖母绿的密度测试。

图3-2-9　重液法测定样品密度

使用重液法测试密度应该注意重液多为黄色色调，对有孔隙的宝石（如欧泊、珊瑚）及各种具猫眼效应的宝石，易于因渗进颜色影响宝玉石的色泽，则不宜使用该法；对易溶解的有机宝石及合成或人造塑料制品及二层、三层石等因易被重液溶解也应避免使用。使用过的重液应密封避光保存好，以便下次继续使用。重液有挥发性，工作环境应尽量减少空气流通。重液还具不同程度的毒性，所以测试时应予以防范，连续作业时间不宜过长。

对宝玉石作密度的测定是很重要的。应用最多的还是静水力学法。用该法做密度的测试是无损的检测，所以在鉴定工作中既重要又简单，但关键是所测数据一定要准确。一般是以保留小数点后两位数为准。有条件的情况下应该多测几次、多得一些数据，取其平均值，以务求准确。

常见宝玉石的密度列于表3-2-7中。

其实在工作中有很多测密度的精密仪器可直接测试，这类仪器大多用在金属、贵金属的检测上。

表3-2-7　若干宝玉石的密度