Видманштеттеновы узоры , также известные как структуры Томсона , представляют собой фигуры длинных фаз никеля и железа , встречающиеся в октаэдрических формах кристаллов железных метеоритов и некоторых палласитов .
Железные метеориты очень часто образуются из одного кристалла сплава железа и никеля, а иногда из нескольких крупных кристаллов, которые могут быть размером во много метров и часто не имеют какой-либо различимой кристаллической границы на поверхности. Крупные кристаллы крайне редки в металлах, а в метеорах они возникают из-за крайне медленного охлаждения из расплавленного состояния в вакууме космоса, когда впервые образовалась Солнечная система. Оказавшись в твердом состоянии, медленное охлаждение позволяет твердому раствору выделить отдельную фазу, которая растет внутри кристаллической решетки , которая формируется под очень определенными углами, которые определяются решеткой. В метеорах эти междоузлия могут вырасти достаточно большими, чтобы заполнить весь кристалл игольчатыми или лентовидными структурами, легко видимыми невооруженным глазом, почти полностью поглощая исходную решетку. Они состоят из тонкого переплетения камасита и тэнитовых полос или лент, называемых ламеллами . Обычно в зазорах между ламеллами можно найти мелкозернистую смесь камасита и тэнита, называемую плесситом . [1]
Видманштеттеновы структуры описывают аналогичные особенности в современных сталях [2] , титановых и циркониевых сплавах, но обычно имеют микроскопические размеры.
В 1808 году эти фигуры наблюдал граф Алоиз фон Бек Видманштеттен , директор Императорского фарфорового завода в Вене . При нагревании железных метеоритов пламенем [4] Видманштеттен заметил дифференциацию зон цвета и блеска , поскольку различные сплавы железа окислялись с разной скоростью. Он не публиковал свои выводы, заявляя о них только через устное общение со своими коллегами. Открытие было признано Карлом фон Шрайберсом , директором Венского кабинета минералов и зоологии, который назвал структуру в честь Видманштеттена. [5] [6] : 124 Однако в настоящее время считается, что открытие структуры кристаллов металла следует приписать английскому минералогу Уильяму ( Гульельмо ) Томсону , поскольку он опубликовал те же результаты четырьмя годами ранее. [7] [6] [8] [9]
Работая в Неаполе в 1804 году, Томсон обработал метеорит Красноярск азотной кислотой , чтобы удалить тусклую патину, вызванную окислением. Вскоре после того, как кислота соприкоснулась с металлом, на поверхности появились странные фигуры, которые он подробно описал выше. Гражданские войны и политическая нестабильность на юге Италии затруднили Томсону поддержание связи с коллегами в Англии. Это проявилось 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 Bibliothèque Britannique . [6] : 124–125 [8] [10] В начале 1806 года Наполеон вторгся в Неаполитанское королевство , и Томсон был вынужден бежать на Сицилию [8] , а 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 (в переводе 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, в дополнение к его ранней смерти, затмили его вклад на многие годы.
Наиболее распространенные названия этих фигур — Видманштеттенов узор и Видманштеттенова структура , однако существуют некоторые варианты написания:
В связи с приоритетом открытия Г. Томсона , ряд авторов предложили называть эти фигуры структурой Томсона или структурой Томсона-Видманштеттена . [6] [8] [9]
Железо и никель образуют однородные сплавы при температурах ниже точки плавления ; эти сплавы называются тэнитами . 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 между нормой для камасита и тэнита содержание никеля ; это приводит при медленном охлаждении к осаждению камасита и росту пластин камасита вдоль определенных кристаллографических плоскостей в кристаллической решетке тэнита .
Образование бедного никелем камасита происходит путем диффузии никеля в твердом сплаве 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 млн лет или меньше. [13] Это объясняет, почему эту структуру невозможно воспроизвести в лабораторных условиях.
Кристаллические узоры становятся видны , когда метеориты разрезают, полируют и травят кислотой, поскольку тэнит более устойчив к кислоте.
Размеры камаситовых пластинок варьируются от самых крупных до самых мелких (в зависимости от их размера) по мере увеличения содержания никеля. Такая классификация называется структурной классификацией .
Поскольку кристаллы никеля и железа вырастают до длины в несколько сантиметров только тогда, когда твердый металл остывает исключительно медленно (в течение нескольких миллионов лет), наличие этих узоров явно указывает на внеземное происхождение материала и может быть использовано для указания на то, что кусок железа мог произойти от метеорита . [ требуется ссылка ]
Методы, используемые для выявления узора Видманштеттена на железных метеоритах, различаются. Чаще всего срез шлифуют и полируют, очищают, протравливают химикатом, таким как азотная кислота или хлорид железа , промывают и сушат. [14] [15]
Разрезание метеорита вдоль разных плоскостей влияет на форму и направление фигур Видманштетта, поскольку ламели камасита в октаэдритах точно расположены. Октаэдриты получили свое название от кристаллической структуры, параллельной октаэдру . Противоположные грани параллельны, поэтому, хотя октаэдр имеет 8 граней, существует только 4 набора пластин камасита. Железо и никель-железо образуют кристаллы с внешней октаэдрической структурой только очень редко, но эти ориентации все еще легко обнаруживаются кристаллографически без внешнего габитуса. Разрезание метеорита октаэдрита вдоль разных плоскостей (или любого другого материала с октаэдрической симметрией, которая является подклассом кубической симметрии) приведет к одному из следующих случаев:
Термин «структура Видманштетта» также используется в отношении неметеоритных материалов для обозначения структуры с геометрическим рисунком, возникающим в результате образования новой фазы вдоль определенных кристаллографических плоскостей исходной фазы, например, структуры «корзина-плетение» в некоторых сплавах циркония . Структуры Видманштетта образуются из-за роста новых фаз в границах зерен исходных металлов, что обычно увеличивает твердость и хрупкость металла. Структуры образуются из-за осаждения одной кристаллической фазы в две отдельные фазы. Таким образом, превращение Видманштетта отличается от других превращений, таких как превращение мартенсита или феррита. 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, поскольку для получения структур, видимых невооруженным глазом, обычно требуется очень большая скорость охлаждения. Однако они обычно оказывают большое и часто нежелательное влияние на свойства сплава. [16]
Видманштеттеновы структуры имеют тенденцию образовываться в определенном температурном диапазоне, увеличиваясь со временем. Например, в углеродистой стали видманштеттеновы структуры образуются во время отпуска , если сталь выдерживается в диапазоне около 500 °F (260 °C) в течение длительного времени. Эти структуры образуются как игольчатые или пластинчатые наросты цементита внутри кристаллических границ мартенсита. Это увеличивает хрупкость стали таким образом, что ее можно устранить только путем рекристаллизации. Видманштеттеновы структуры, образованные 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]
Видманштеттеновы структуры образуются также 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 охлаждается от температуры рекристаллизации, и становятся очень грубыми, если латунь отжигается до 1112 °F (600 °C) в течение длительного времени. [16] Теллурическое железо , которое представляет собой сплав железа и никеля, очень похожий на метеориты, также демонстрирует очень грубые видманштеттеновы структуры. Теллурическое железо — это металлическое железо, а не руда (в которой обычно содержится железо), и оно произошло от Земли, а не из космоса. Теллурическое железо — чрезвычайно редкий металл, встречающийся только в нескольких местах в мире. Как и метеориты, очень грубые видманштеттеновы структуры, 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 сплаве урана, после старения при температуре ниже или равной400 °C в течение периодов от нескольких минут до нескольких часов приводит к образованию моноклинной ɑ″ фазы. [18]
Однако внешний вид, состав и процесс формирования этих земных видманштеттеновых структур отличаются от характерной структуры железных метеоритов. [ необходима ссылка ]
Когда железный метеорит выковывают в инструмент или оружие, узоры Видманштеттена остаются, но растягиваются и искажаются. Узоры обычно не могут быть полностью устранены кузнечным делом, даже при интенсивной обработке. Когда нож или инструмент выковывают из метеоритного железа, а затем полируют, узоры появляются на поверхности металла, хотя и искаженные, но они, как правило, сохраняют некоторые из исходных октаэдрических форм и вид тонких пластинок, перекрещивающихся друг с другом. [19]
