Видманштеттен узор - Widmanstätten pattern
Стали |
---|
Фазы |
Микроструктуры |
Классы |
Другие материалы на основе железа |
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
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:
- Видманштеттер (предложен Фредериком К. Леонардом )
- Видманштеттен (используется, например, для лунного кратера Видманштеттен )
- Widmanstatten (англ.)
В связи с приоритетом открытия Дж. Томсона , некоторые авторы предложили называть эти фигуры структурой Томсона или структурой Томсона-Видманштеттена .
Механизм образования ламелей
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.
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
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
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.