2.4　金刚石的机械性质

人造金刚石极其坚硬，且具有非常低的摩擦系数，这些都成为它在机械应用中的天然优势。

2.4.1　金刚石的硬度、耐磨性[2～5]

由于金刚石是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，所以它具有极大的硬度和耐磨性能。金刚石是目前所有材料中硬度最高的矿物。

硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。我们通过比较固体对外界物体入侵的局部抵抗能力来衡量各种材料的软硬程度。由于测试硬度的方法各不相同，所以针对不同的方法硬度标准也不同。金刚石以及其他物质的硬度值参看表2-2。

注：1kgf=9.8N。

由于晶体具有均匀性和异向性。均匀性即由于晶体是具有格子构造的固体，各质点分布各处相同，于是同一晶体的不同位置的性质是相同的。而晶体中的同一格子里的不同方向上的质点排列一般是不同的，所以，同一晶体在不同方向上的晶体性质是不同的，这就是所谓的晶体的异向性。

结晶学上把原子连接成的晶面称为面网。单位面网内的原子数叫作面网密度。金刚石单晶呈现各向异性的特征，不同晶面上硬度不同，而各晶面硬度顺序与面网密度的顺序一致，即（111）面>（110）面>（100）面。众所周知，硬度即物体抵抗另一物体侵入的能力，那么理应密度较大的面网比密度较小的面网具有更大的抵抗侵入的能力。金刚石的各向异性硬度体现在实际应用中，人们利用它的各向异性，在使用时进行定向排列，可以使金刚石钻头或滚轮的耐磨性提高50%～100%。

在所有已知材料中，金刚石的耐磨性最好，研磨能力最强。金刚石的耐磨性比硬质合金高40～200倍，比热处理的合金钢和高速切削淬火工具钢高2000～5000倍，比刚玉高90 倍。

被加工材料的硬度越高，材料的加工难度越高，金刚石相对其他磨料的优势也就越明显。金刚石与其他磨料的相对研磨能力见表2-3。另外，不同品质的金刚石的耐磨性能也有所不同，不同品质金刚石与其他材料的耐磨性比较见表2-4。

金刚石的耐磨性和硬度一样，在不同的晶体方向上有不同的耐磨性。且金刚石的耐磨性和硬度的顺序与金刚石面网密度的顺序是一致的，即耐磨性大小顺序为：（111）面>（110）面>（100）面。研究金刚石的硬度，耐磨性和晶体方向性的关系可以更好地正确使用金刚石工具，尤其在加工金刚石的时候有着很重要的意义。

金刚石最容易沿着与立方体面平行的方向加工，这是因为此方向的面网上的原子数较少。所以，沿着平行于立方体面的方向比沿着对角线方向容易加工。这为单粒金刚石工具制造提出了重要的指导依据。

2.4.2　金刚石的解理

由于金刚石的各面网间的距离不同，在外力作用下，金刚石最容易沿着面网距最大的晶面破裂，这就是金刚石的解理。金刚石解理面决定于单位面积的某空间晶格网上的键力、键数和面间距。金刚石的各面网距如图2-10所示。从图中我们可以看到，（110）和（100）面网是均匀排列的，其面间距总是相等的；而（111）面网则完全不同，它具有时近时远的循环排列，两个距离相对较小的面网形成一个网偶，两个邻近的网偶间有较大的距离。

由于晶体面网间距不同，在外力作用下，最容易发生解理的应该是面网间距最大的结晶面。图2-11表示了（111）面网间距，从图2-11中可以看出，金刚石晶体解理的位置应该在那些长距离的面网偶之间，而不是在近距离的面网偶之

间。因为在长距离面网偶间折断仅需要破坏一个共价键，而在近距离面网偶间折断则需要破坏三个共价键。

金刚石晶体沿着（111）面平行的方向裂开，即金刚石晶体沿（111）面具有完全解理。这个可以很好地解释金刚石八面体的解理和脆性，也就是说尽管其硬度最高，却最容易裂开。八面体和菱形十二面体金刚石解理时，沿解理方向较易形成细小裂隙，裂隙越多金刚石的质量越差，也就越容易破裂，在破裂时将会形成参差状、阶梯状和贝壳状断口。在晶体断口表面上可以形成各种形态，特定形态出现的多少决定于对应它的某种平面解理的难易，这个决定于面间距、结点密度、各空间格子面网单位面积上的断裂键数。具有缺陷或裂隙的晶体相比较完好的晶体来说，会更容易被劈开。天然金刚石中，巴拉斯金刚石和卡邦纳达金刚石具有很大的韧性，很难劈开。

2.4.3　金刚石的强度

强度是衡量金刚石质量的重要标准。金刚石不仅硬度最高，同时也是强度最高的材料。鉴于金刚石本身的原因，准确无误地测量它的强度是极其困难的。不同晶型的金刚石的抗压强度是不同的，按照立方体、平面尖棱八面体、菱形十二面体、尖晶孪生八面体、圆棱八面体的顺序，强度由高到低，可相差2～4倍。此外，金刚石晶体中包裹体的含量，结晶缺陷对其强度值的影响也是很大的。

（1）抗压强度

金刚石的抗压强度因质地优劣而不同。由于金刚石强度的测定方法比较紊乱，各国采用的方法各不相同。我国使用单颗粒抗压强度计测定金刚石的抗压强度，取40颗金刚石破坏负荷的平均值为其测定值。不同品种的金刚石强度波动较大，这种测量方法的误差也较大。一般磨料级人造金刚石的抗压强度在1.5×104 kgf/cm2左右，结晶完整的高品质金刚石的强度大约为（3～5）×104kgf/cm2。

（2）冲击强度

金刚石的冲击强度也称冲击韧性，是衡量金刚石承受动态冲击载荷能力的重要指标。因为人造金刚石磨料及其制品在实际使用过程中往往是在动态冲击条件下工作，同时受冲击和磨损两种作用力，因此冲击强度比单颗粒静压强度更能客观地反映其实际使用效果。

冲击强度是指在规定的冲击条件下，金刚石磨料的抗破碎能力。具体测试方法是：称取一定量的样品，连同一定规格数量的钢球一起装入钢体试管中，在冲击装置上以一定的频率冲击一定的次数，然后筛分。以未破碎磨料所占百分比（冲击后筛上物的量与其原始量之比）作为其冲击韧性值。为了不同规格、晶型金刚石样品的可比性，也可以采取未破碎率为50% 时对应的冲击次数来表征样品的冲击韧性。

（3）抗张强度

金刚石通常在（111）面上发生解理，但有人在（110）面上见到解理，而在其他面上则很少见到。用一球状压头逐渐增大负荷能产生弯曲状的碎裂。常在金刚石表面上发现环状裂隙，无论是缓慢的或冲击的加荷都能造成这种裂隙。金刚石的抗张强度值为4×103MPa。

（4）抗切强度

金刚石的抗切强度理论值为120GPa。抗切强度的实验值，不同方法有所不一。摩擦实验得出的抗切强度值为8.7GPa；扭力实验测得的数据为300MPa。

（5）塑性流变

在室温下，金刚石中的塑性变形是可能的，尽管造成它这种变形所需要的力一定很高，而且接近于晶体的理论强度。然而，在实际中很难达到这些应力水平而不先发生破裂。

对天然金刚石晶体的研究表明，大多数晶体不会发生塑性形变，但在2073～2273K时晶体发生塑性变形，在（110）方向上沿着{111}平面滑移，晶格的旋转轴是<112>方向，最多可出现四个滑移线，在菱形十二面体晶面和立方体晶面上有四个面系。因为不同滑移面系的滑移线方向相重合，所以在（110）面上可以由三个滑移方向形成网格，而在{100}上由两个滑线方向形成网格。

在各类金刚石中都能观察到滑移，且在烟褐色与玫瑰紫色的金刚石中显得特别清楚。金刚石中有薄片氮杂质存在时，可以阻碍塑性流变的发生。

2.4.4　金刚石的弹性模量

在所有的物质中，金刚石具有最高的弹性模量。弹性模量表示材料的强度和在加工过程中发生形变的特性，材料的弹性模量越大，其形变越小，被加工工件的形变，产生的内应力与发热量都较小，所以使用金刚石磨料进行加工，可以提高加工工件的质量。

通过研究X射线衍射强度和超声波的传播速度可以测定金刚石的弹性模量。表2-5给出了不同测量者所得到的弹性模量值。

由弹性模量测定值可以计算出金刚石的体积压缩系数为（0.16～0.18）×10-7MPa。体积压缩模量为（5.6～6.3）×102GPa，沿立方体轴的杨氏模量等于9.5×102GPa。金刚石的压缩系数，在所有物质中为最小。