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. После того, как они находятся 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 Ni 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 с исключительно медленной скоростью (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 неметеоритного материала для обозначения структуры с геометрическим рисунком, полученным в результате образования новой фазы вдоль определенных кристаллографических плоскостей исходной фазы, например, структуры «корзина» 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 в кристаллических границах 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 в перлите . [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 были также обнаружены 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]
