Видманштеттенский узор
| Стали |
|---|
 |
| Фазы |
| Микроструктуры |
| Классы |
| Другие материалы на основе железа |
Узоры Видманштеттена , также известные как структуры Томсона собой фигуры длинных фаз никель железо - , представляют , 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 и образуется под очень определенными углами , отдельную фазу, которая растет внутри кристаллической решетки 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 камасита и тэнита или лент , называемых ламелями . Обычно в промежутках между пластинками обнаруживается мелкозернистая смесь камасита и тэнита, называемая плессит можно найти. [1]
Структуры Видманштеттена описывают аналогичные характеристики в современных сталях. [2] сплавы титана и циркония, но обычно имеют микроскопические размеры.
Открытие
[ редактировать ]
В 1808 году эти фигуры наблюдал граф Алоис фон Бек Видманштеттен , директор Императорского фарфорового завода в Вене . Пока пламя нагревает железные метеориты , [4] 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 метеорит , Красноярский азотной кислотой 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 открытия 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] а в ноябре того же года он умер в Палермо в возрасте 46 лет. В 1808 году работа Томсона была снова посмертно опубликована на итальянском языке (перевод с оригинальной английской рукописи) в Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . [11] Наполеоновские войны затруднили контакты Томсона с научным сообществом, а его путешествия по Европе, помимо его ранней смерти, на многие годы затмили его вклад.
Имя
[ редактировать ]Наиболее распространенные названия этих фигур — Widmanstätten Pattern и Widmanstätten Structure , однако существуют некоторые варианты написания:
- Видманстеттер (предложен Фредериком К. Леонардом ) [12]
- Видманштеттен (используется, например, для лунного кратера Видманштеттен )
- Видманштеттен (англизированный)
В связи с приоритетом открытия Г. Томсона некоторые авторы предложили называть эти фигуры структурой Томсона или структурой Томсона-Видманштеттена . [6] [8] [9]
Механизм образования ламелей
[ редактировать ]
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) устойчивы 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 пластинок камасита вдоль определенных кристаллографических плоскостей в тэнита кристаллической решетке .
Образование камасита с низким содержанием никеля происходит за счет 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 Мир или меньше. [13] Это объясняет, почему данную 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 .
Использование
[ редактировать ]Поскольку кристаллы никель-железо вырастают до длины в несколько сантиметров только тогда, когда твердый металл остывает с исключительно медленной скоростью (в течение нескольких миллионов лет), наличие этих узоров убедительно свидетельствует о внеземном происхождении материала и может быть использовано для указать, может ли кусок железа произойти из метеорита . [ нужна ссылка ]
Подготовка
[ редактировать ]
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]
Форма и ориентация
[ редактировать ]
Разрез метеорита по разным плоскостям влияет на форму и направление фигур Видманштеттена, поскольку камасита ламели 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:
- перпендикулярный разрез одной из трех (кубических) осей: два набора полос под прямым углом друг к другу.
- параллельный разрез одной из граней октаэдра (разрез 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
Структуры из неметеоритных материалов
[ редактировать ]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 из-за 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 высокая 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. в углеродистой стали Например, 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 имеет очень грубую видманштеттеновую структуру. 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 вакууме и микрогравитации космоса в . [17] Подобные закономерности также наблюдались в шелковице , тройном урановом сплаве, после старения или ниже при температуре 400 °C в течение периодов от минут до часов, образуя моноклинную ɑ″-фазу. [18]
Однако внешний вид, состав и процесс формирования этих земных видманштеттенских структур отличаются от характерной структуры железных метеоритов. [ нужна ссылка ]
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 ламелей, перекрещивающихся друг с другом. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Метеорит Стонтон был найден недалеко от Стонтона, штат Вирджиния, в середине 19 века. За несколько десятилетий были обнаружены шесть кусков никель-железа общим весом 270 фунтов. [3]
- ↑ Энциклопедия Солнечной системы Тилмана Спона, Дорис Брейер, Торренса В. Джонсона — Elsevier, 2014, стр. 632
- ^ Доминик Фелан и Риан Диппенаар: Формирование ферритовых пластин Видманштеттена в низкоуглеродистых сталях, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ И МАТЕРИАЛЫ A, ТОМ 35A, ДЕКАБРЬ 2004 г., стр. 3701
- ^ Хоффер, FB (август 1974 г.). «Метеориты Вирджинии» (PDF) . Вирджиния Минералс . 20 (3). Архивировано (PDF) из оригинала 18 сентября 2021 г. Проверено 8 октября 2019 г.
- ^ О. Ричард Нортон. Камни из космоса: метеориты и охотники за метеоритами . Паб «Маунтин Пресс». (1998) ISBN 0-87842-373-7
- ^ Шрайберс, Карл фон (1820). Вклад в историю и знание метеорных камней и металлических масс, а также явлений, которые обычно сопровождают их падение [ Вклад в историю и знание метеорных камней и металлических масс, а также явлений, которые обычно сопровождают их падение ] (на немецком языке). Вена, Австрия: Дж. Г. Хойбнер. стр. 70–72.
- ^ Перейти обратно: а б с д Джон Г. Берк. Космический мусор: метеориты в истории . Калифорнийский университет Press, 1986. ISBN 0-520-05651-5
- ^ Томсон, Г. (1804) «Очерк ковкого железа, найденного в Сибири профессором Палласом», Британская библиотека , 27 : 135–154. Архивировано 15 декабря 2019 г., в Wayback Machine ; 209–229. Архивировано 15 декабря 2019 года в Wayback Machine (на французском языке).
- ^ Перейти обратно: а б с д и Джан Баттиста Вай, В. Глен Э. Колдуэлл. Зарождение геологии в Италии . Геологическое общество Америки, 2006 г., ISBN 0-8137-2411-2
- ^ Перейти обратно: а б О. Ричард Нортон. Кембриджская энциклопедия метеоритов . Кембридж, Издательство Кембриджского университета, 2002. ISBN 0-521-62143-7 .
- ^ Ф.А. Панет. Открытие и самые ранние репродукции фигур Видманштеттена . Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 18, стр. 176–182.
- ^ Томсон, Г. (1808 г.). «Очерк Г. Томсона о ковком железе, найденном Палласом в Сибири» . Труды Академии наук Сиены (на итальянском языке). 9 :37–57.
- ^ О. Ричард Нортон, Личные воспоминания Фредерика К. Леонарда, заархивированные 5 июля 2008 г. в Wayback Machine , журнал Meteorite Magazine - Часть II.
- ^ Гольдштейн, Дж.И.; Скотт, ERD; Шабо, Нидерланды (2009), «Железные метеориты: кристаллизация, термическая история, материнские тела и происхождение», Chemie der Erde – Geochemistry , 69 (4): 293–325, Бибкод : 2009ChEG...69..293G , doi : 10.1016/j.chemer.2009.01.002
- ^ Харрис, Пол; Хартман, Рон; Хартман, Джеймс (1 ноября 2002 г.). «Травление железных метеоритов» . Метеорит Таймс. Архивировано из оригинала 18 октября 2016 года . Проверено 14 октября 2016 г.
- ^ Нинингер, HH (февраль 1936 г.). «Инструкции по травлению и консервации металлических метеоритов». Труды Колорадского музея естественной истории . 15 (1): 3–14. Бибкод : 1945PA.....53...82N .
- ^ Перейти обратно: а б с Металлография и микроструктура древних и исторических металлов. Дэвид А. Скотт – J. Paul Getty Trust, 1991, стр. 20–21.
- ^ Метеоритное железо, теллурическое железо и кованое железо в Гренландии. Авторы: Вагн Фабрициус Бухвальд, Герт Мосдал - Комиссия по научным исследованиям в Гренландии, 1979 г., стр. 20 на стр. 20.
- ^ Дин, CW (24 октября 1969 г.). «Исследование поведения временной температуры при трансформации сплава урана = 7,5 мас.%, ниобия и 2,5 мас.% циркония» (PDF) . Union Carbide Corporation, Завод Y-12 , Национальная лаборатория Ок-Ридж . стр. 53–54, 65. Отчет Ок-Риджа Y-1694. Архивировано (PDF) из оригинала 24 июля 2018 г. Проверено 20 февраля 2018 г.
- ^ Железо и сталь в древние времена , Вагн Фабрициус Бухвальд - Датское королевское научное общество, 2005 г., стр. 26
Внешние ссылки
[ редактировать ]
