Видманштеттен узор - Widmanstätten pattern

Фрагмент метеорита Толука шириной около 10 см

Видманштеттеновы узоры , также известные как Thomson структуры , являются фигурами длинного никеля - железные кристаллы, найденных в октаэдрите железных метеоритов и некоторые палласитах . Они состоят из тонких чередующихся полос или лент камасита и тэнита, называемых ламелями . Обычно в промежутках между пластинами можно найти мелкозернистую смесь камасита и тэнита, называемую плесситом . Узоры Видманштеттена описывают особенности современных сталей, сплавов титана и циркония.

Открытие

Видманштеттен в метеорите Стонтон

В 1808 году эти фигуры были названы в честь графа Алоиса фон Бекха Видманштеттена , директора Императорского фарфорового завода в Вене . Нагревая железные метеориты пламенем , Видманштеттен заметил дифференциацию зон цвета и блеска, поскольку различные сплавы железа окислялись с разной скоростью. Он не публиковал свои выводы, заявив о них только в устном общении со своими коллегами. Открытие было признано Карлом фон Шрайберсом , директором Венского кабинета минералов и зоологии, который назвал структуру в честь Видманштеттена. Однако теперь считается, что открытие металлического кристаллического узора на самом деле следует приписать английскому минералогу Уильяму ( Гульельмо ) Томсону , который опубликовал те же открытия четырьмя годами ранее.

Работа в Неаполе в 1804 году, Томсон лечил Krasnojarsk метеорит с азотной кислотой в усилии , чтобы удалить тусклый налет , вызванное окислением. Вскоре после того, как кислота вступила в контакт с металлом, на поверхности появились странные фигуры, которые он подробно описал выше. Гражданские войны и политическая нестабильность на юге Италии мешали Томсону поддерживать контакты со своими коллегами в Англии. Это было продемонстрировано в его потере важной корреспонденции, когда ее носитель был убит. В результате в 1804 году его открытия были опубликованы только на французском языке в Британской библиотеке . В начале 1806 года Наполеон вторгся в Неаполитанское королевство, и Томсон был вынужден бежать на Сицилию, и в ноябре того же года он умер в Палермо в возрасте 46 лет. В 1808 году работа Томсона была снова опубликована посмертно на итальянском языке (переведено из оригинальной английской рукописи) в Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . Эти войны Наполеоновских препятствовали контактам Томсона с научным сообществом и его путешествием по Европе, в дополнении к его ранней смерти, затемняются его вклад в течение многих лет.

Имя

Наиболее распространенные названия для этих фигур видманштеттенова структура и структура видманштеттенова , однако есть некоторые варианты написания:

В связи с приоритетом открытия Дж. Томсона , некоторые авторы предложили называть эти фигуры структурой Томсона или структурой Томсона-Видманштеттена .

Механизм образования ламелей

Фазовая диаграмма, объясняющая, как формируется узор. Первое метеоритное железо состоит исключительно из тенита. При остывании он проходит фазовую границу, где камасит отделяется от тенита. Метеорное железо с содержанием никеля менее 6% ( гексаэдрит ) полностью превращается в камасит.
Видманштеттен узор, шлифованный металл

Железо и никель образуют гомогенные сплавы при температурах ниже точки плавления ; эти сплавы - тенит . При температурах ниже 900–600 ° C (в зависимости от содержания Ni) стабильны два сплава с различным содержанием никеля: камасит с более низким содержанием Ni (от 5 до 15% Ni) и тэнит с высоким содержанием Ni (до 50%). Октаэдритовые метеориты имеют промежуточное содержание никеля между нормой для камасита и тэнита ; в условиях медленного охлаждения это приводит к осаждению камасита и росту пластин камасита вдоль определенных кристаллографических плоскостей в кристаллической решетке тэнита .

Образование камасита с низким содержанием Ni происходит путем диффузии Ni в твердом сплаве при температурах от 700 до 450 ° C и может происходить только при очень медленном охлаждении, примерно от 100 до 10000 ° C / млн лет, с общим временем охлаждения 10 Мир или меньше. Это объясняет, почему эту структуру нельзя воспроизвести в лаборатории.

Эти кристаллические структуры становятся видимыми , когда метеориты вырезать, полированные и травлению кислоты, потому что тэнита является более устойчивой по отношению к кислоте.

Прекрасный видманштеттенский узор (ширина ламелей 0,3 мм) метеорита Гибеон .

Размер пластин камасита варьируется от самых крупных до самых мелких (в зависимости от их размера) по мере увеличения содержания никеля. Эта классификация называется структурной .

Использовать

Поскольку кристаллы никель-железо вырастают до нескольких сантиметров только тогда, когда твердый металл остывает с исключительно медленной скоростью (в течение нескольких миллионов лет), наличие этих структур явно указывает на внеземное происхождение материала и может быть использовано для укажите, может ли кусок железа выпасть из метеорита .

Подготовка

Выгравированный кусок метеорита Canyon Diablo с узором Видманштеттена

Методы, используемые для выявления картины Видманштеттена на железных метеоритах, различаются. Чаще всего ломтик шлифуют и полируют, очищают, протравливают химическим веществом, например азотной кислотой или хлоридом железа , промывают и сушат.

Форма и ориентация

Октаэдр
Разные разрезы дают разные узоры Widmanstätten

Разрезание метеорита по разным плоскостям влияет на форму и направление фигур Видманштеттена, поскольку пластинки камасита в октаэдритах расположены точно. Октаэдриты получили свое название от кристаллической структуры, параллельной октаэдру . Противоположные грани параллельны, поэтому, хотя октаэдр имеет 8 граней, имеется только 4 набора пластин камасита. Железо и никель-железо очень редко образуют кристаллы с внешней октаэдрической структурой, но эти ориентации все же четко обнаруживаются кристаллографически без внешнего габитуса. Разрезание октаэдрита метеорита по разным плоскостям (или любого другого материала с октаэдрической симметрией, который является подклассом кубической симметрии) приведет к одному из следующих случаев:

  • перпендикулярный разрез к одной из трех (кубических) осей: два набора полос под прямым углом друг к другу
  • параллельный разрез одной из граней октаэдра (разрезание всех трех кубических осей на одинаковом расстоянии от кристаллографического центра): три набора полос, идущих под углом 60 ° друг к другу
  • любой другой угол: четыре набора полос с разными углами пересечения

Конструкции из неметеоритных материалов

Термин « структура видманштеттена» также используется для неметеоритного материала для обозначения структуры с геометрическим рисунком, возникающей в результате образования новой фазы вдоль определенных кристаллографических плоскостей исходной фазы, таких как структура корзиночного плетения в некоторых сплавах циркония . Структуры Видманштеттена образуются из-за роста новых фаз на границах зерен основных металлов, обычно увеличивая твердость и хрупкость металла. Структуры образуются из-за выделения монокристаллической фазы на две отдельные фазы. Таким образом, превращение Видманштеттена отличается от других превращений, таких как мартенситное или ферритное превращение. Структуры образуются под очень точными углами, которые могут варьироваться в зависимости от расположения кристаллических решеток. Обычно это очень маленькие структуры, которые необходимо рассматривать в микроскоп, потому что для создания структур, видимых невооруженным глазом, обычно требуется очень большая скорость охлаждения. Однако они обычно оказывают сильное и часто нежелательное влияние на свойства сплава.

Структуры Видманштеттена имеют тенденцию формироваться в определенном температурном диапазоне, со временем увеличиваясь в размерах. В углеродистой стали , например, структуры Видманштеттена образуются во время отпуска, если сталь выдерживается при температуре около 500 ° F (260 ° C) в течение длительных периодов времени. Эти структуры образуются в виде игольчатых или пластинчатых наростов цементита на границах кристаллов мартенсита. Это увеличивает хрупкость стали до такой степени, что ее можно уменьшить только перекристаллизацией. Структуры Видманштеттена, сделанные из феррита, иногда встречаются в углеродистой стали, если содержание углерода ниже, но близко к эвтектоидному составу (~ 0,8% углерода). Это происходит в виде длинных игл феррита внутри перлита .

Структуры Видманштеттена образуются и во многих других металлах. Они образуются в латуни, особенно если в сплаве очень высокое содержание цинка, и становятся иголками цинка в медной матрице. Иглы обычно образуются, когда латунь охлаждается от температуры рекристаллизации, и становятся очень крупными, если латунь подвергается отжигу до 1112 ° F (600 ° C) в течение длительных периодов времени. Теллурическое железо , представляющее собой сплав железа с никелем, очень похожее на метеориты, также имеет очень грубые структуры Видманштеттена. Теллурическое железо - это металлическое железо, а не руда (в которой обычно содержится железо), и оно происходит с Земли, а не из космоса. Теллурическое железо - чрезвычайно редкий металл, который встречается лишь в нескольких местах в мире. Как метеоритов, самые грубые видманштеттеновы структуры , скорее всего , развиваться через очень медленное охлаждение, за исключением того, что охлаждение произошло в мантии Земли и земной коры , а не в вакууме и невесомости в космосе . Такие структуры также наблюдались в шелковице , тройном урановом сплаве, после старения при температуре или нижеПри 400 ° C в течение от минут до часов образуется моноклинная ɑ ″ фаза.

Однако внешний вид, состав и процесс формирования этих земных структур Видманштеттена отличаются от характерной структуры железных метеоритов.

Когда железный метеорит выкован в инструмент или оружие, узоры Видманштеттена остаются, но растягиваются и искажаются. Узоры обычно не могут быть полностью устранены с помощью кузнечного дела, даже при длительной работе. Когда нож или инструмент выковывают из метеоритного железа, а затем полируют, на поверхности металла появляются узоры, хотя и искаженные, но они, как правило, сохраняют некоторую часть первоначальной восьмигранной формы и вид тонких пластинок, пересекающих друг друга. Стали, сваренные по образцу, такие как дамасская сталь, также имеют рисунок, но его легко отличить от любого рисунка Видманштеттена.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки