Узоры Видманштеттена , также известные как структуры Томсона , представляют собой фигуры длинных фаз никель - железо , обнаруженные в октаэдритных формах кристаллов железных метеоритов и некоторых палласитов .
Железные метеориты очень часто образуются из одного кристалла железо-никелевого сплава, а иногда и из ряда крупных кристаллов, размер которых может достигать многих метров, и часто не имеют какой-либо заметной кристаллической границы на поверхности. Крупные кристаллы в металлах встречаются крайне редко, а в метеорах они возникают в результате крайне медленного остывания из расплавленного состояния в космическом вакууме при первом формировании Солнечной системы. Попав в твердое состояние, медленное охлаждение позволяет твердому раствору выделять отдельную фазу, которая растет внутри кристаллической решетки и образуется под очень определенными углами , определяемыми решеткой. В метеорах эти межузельные дефекты могут вырасти настолько большими, что заполняют весь кристалл игольчатыми или лентообразными структурами, легко видимыми невооруженным глазом, почти полностью поглощая исходную решетку. Они состоят из тонкого чередования полос или лент камасита и тэнита , называемых ламелями . Обычно в промежутках между пластинками встречается мелкозернистая смесь камасита и тэнита, называемая плесситом . [1]
Структуры Видманштеттена описывают аналогичные особенности в современных сталях, [2] титановых и циркониевых сплавах, но обычно имеют микроскопические размеры.
В 1808 году эти фигуры наблюдал граф Алоис фон Бек Видманштеттен , директор Императорского фарфорового завода в Вене . Во время нагревания пламенем железных метеоритов Видманштеттен заметил дифференциацию зон цвета и блеска , поскольку различные сплавы железа окисляются с разной скоростью. Он не опубликовал свои выводы, заявив о них только в устном общении с коллегами. Открытие было признано Карлом фон Шрайберсом , директором Венского кабинета минералов и зоологии, который назвал структуру в честь Видманштеттена. [5] [6] : 124 Однако сейчас считается, что открытие структуры кристаллов металла следует приписать английскому минералогу Уильяму ( Гульельмо ) Томсону , поскольку он опубликовал те же выводы четырьмя годами ранее. [7] [6] [8] [9]
Работая в Неаполе в 1804 году, Томсон обработал азотной кислотой Красноярский метеорит , чтобы удалить тусклую патину, вызванную окислением. Вскоре после того, как кислота вступила в контакт с металлом, на поверхности появились странные фигуры, которые он подробно описал, как описано выше. Гражданские войны и политическая нестабильность на юге Италии мешали Томсону поддерживать контакты со своими коллегами в Англии. Это было продемонстрировано в потере им важной корреспонденции, когда ее носитель был убит. [8] В результате в 1804 году его выводы были опубликованы только на французском языке в Британской библиотеке . [6] : 124–125 [8] [10] В начале 1806 года Наполеон вторгся в Неаполитанское королевство , и Томсон был вынужден бежать на Сицилию [8] и в ноябре того же года он умер в Палермо в возрасте из 46. В 1808 году работа Томсона снова была посмертно опубликована на итальянском языке (перевод с оригинальной английской рукописи) в Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . [11] Наполеоновские войны препятствовали контактам Томсона с научным сообществом, а его путешествия по Европе, помимо его ранней смерти, затмили его вклад на многие годы.
Наиболее распространенные названия этих фигур — Widmanstätten Pattern и Widmanstätten Structure , однако существуют некоторые варианты написания:
В связи с приоритетом открытия Г. Томсона некоторые авторы предложили называть эти фигуры структурой Томсона или структурой Томсона-Видманштеттена . [6] [8] [9]
Железо и никель образуют однородные сплавы при температурах ниже температуры плавления ; эти сплавы являются тэнитами . При температурах ниже 900–600 °С (в зависимости от содержания Ni) стабильны два сплава с разным содержанием никеля: камасит с меньшим содержанием никеля (от 5 до 15 % Ni) и тэнит с высоким содержанием никеля (до 50 %). Октаэдритовые метеориты имеют содержание никеля, промежуточное между нормой для камасита и тэнита ; это приводит в условиях медленного охлаждения к выделению камасита и росту пластин камасита вдоль определенных кристаллографических плоскостей в кристаллической решетке тэнита .
Образование камасита с низким содержанием никеля происходит за счет диффузии Ni в твердый сплав при температурах от 450 до 700 °C и может происходить только при очень медленном охлаждении, примерно от 100 до 10 000 °C/млн лет, с общим временем охлаждения 10 Мир или меньше. [13] Это объясняет, почему эту структуру невозможно воспроизвести в лаборатории.
Кристаллические узоры становятся видимыми , когда метеориты огранены, полированы и протравлены кислотой, поскольку тэнит более устойчив к кислоте.
Размер ламелей камасита варьируется от самых грубых до самых тонких (в зависимости от их размера) по мере увеличения содержания никеля. Эта классификация называется структурной классификацией .
Поскольку кристаллы никель-железа вырастают до длины в несколько сантиметров только тогда, когда твердый металл остывает с исключительно медленной скоростью (в течение нескольких миллионов лет), наличие этих структур убедительно свидетельствует о внеземном происхождении материала и может быть использовано для указать, может ли кусок железа произойти из метеорита . [ нужна цитата ]
Методы выявления видманштеттеновского рисунка на железных метеоритах различаются. Чаще всего срез шлифуют и полируют, очищают, протравливают химическими веществами, такими как азотная кислота или хлорид железа , промывают и сушат. [14] [15]
Разрез метеорита по разным плоскостям влияет на форму и направление фигур Видманштеттена, поскольку ламели камасита в октаэдритах расположены точно. Октаэдриты получили свое название от кристаллической структуры, параллельной октаэдру . Противоположные грани параллельны, поэтому, хотя у октаэдра 8 граней, имеется только 4 набора пластин камасита. Лишь очень редко железо и никель-железо образуют кристаллы с внешней октаэдрической структурой, но эти ориентации еще отчетливо обнаруживаются кристаллографически без внешнего габитуса. Разрезание октаэдрового метеорита по разным плоскостям (или любого другого материала с октаэдрической симметрией, которая является подклассом кубической симметрии) приведет к одному из следующих случаев:
Термин « структура Видманштеттена» также используется в неметеоритном материале для обозначения структуры с геометрическим рисунком, возникающим в результате образования новой фазы вдоль определенных кристаллографических плоскостей исходной фазы, например, корзинчатой структуры в некоторых циркониевых сплавах . Структуры Видманштеттена образуются за счет роста новых фаз внутри границ зерен исходных металлов, что обычно увеличивает твердость и хрупкость металла. Структуры формируются за счет выделения монокристаллической фазы на две отдельные фазы. Этим преобразование Видманштеттена отличается от других преобразований, таких как мартенситное или ферритное превращение. Структуры формируются под очень точными углами, которые могут варьироваться в зависимости от расположения кристаллических решеток. Обычно это очень маленькие структуры, которые необходимо рассматривать в микроскоп, поскольку для создания структур, видимых невооруженным глазом, обычно требуется очень большая скорость охлаждения. Однако они обычно оказывают сильное, а зачастую и нежелательное влияние на свойства сплава. [16]
Структуры Видманштеттена имеют тенденцию формироваться в определенном диапазоне температур и со временем становятся больше. Например, в углеродистой стали структуры Видманштеттена образуются во время отпуска , если сталь выдерживается в диапазоне температур около 500 ° F (260 ° C) в течение длительного периода времени. Эти структуры формируются в виде игольчатых или пластинчатых наростов цементита внутри кристаллических границ мартенсита. Это увеличивает хрупкость стали, которую можно уменьшить только путем рекристаллизации. Видманштеттеновые структуры 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 . [16]
Структуры Видманштеттена образуются и во многих других металлах. Они образуются в латуни, особенно если сплав имеет очень высокое содержание цинка, превращаясь в иглы цинка в медной матрице. Иглы обычно образуются, когда латунь остывает от температуры рекристаллизации, и становятся очень грубыми, если латунь отжигают до 1112 ° F (600 ° C) в течение длительного времени. [16] Теллурическое железо , которое представляет собой железо-никелевый сплав, очень похожий на метеориты, также демонстрирует очень грубые видманштеттеновые структуры. Теллурическое железо — это металлическое железо, а не руда (в которой обычно содержится железо), и оно произошло из Земли, а не из космоса. Теллурическое железо — чрезвычайно редкий металл, встречающийся лишь в нескольких местах в мире. Как и метеориты, очень грубые структуры Видманштеттена, скорее всего, развиваются в результате очень медленного охлаждения, за исключением того, что охлаждение происходило в мантии и коре Земли, а не в вакууме и микрогравитации космоса . [17] Подобные закономерности наблюдались также в шелковице , тройном урановом сплаве, после старения при температуре или нижеПри температуре 400 °C в течение нескольких минут или часов образуется моноклинная ɑ″-фаза. [18]
Однако внешний вид, состав и процесс формирования этих земных видманштеттенских структур отличаются от характерной структуры железных метеоритов. [ нужна цитата ]
Когда из железного метеорита перековывают инструмент или оружие, узоры Видманштеттена остаются, но растягиваются и искажаются. Узоры обычно не могут быть полностью устранены кузнечным делом, даже при длительной работе. Когда нож или инструмент выкован из метеоритного железа, а затем отполирован, на поверхности металла появляются узоры, хотя и искаженные, но они имеют тенденцию сохранять некоторые первоначальные октаэдрические формы и вид тонких пластинок, перекрещивающихся друг с другом. [19]
