Widmanstätten Muster – Wikipedia

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Kristallmuster in einigen Meteoriten gefunden

Widmanstätten Muster, auch bekannt als Thomson-Strukturensind Figuren langer Nickel-Eisen-Kristalle, die in den Octahedrit-Eisenmeteoriten und einigen Pallasiten gefunden wurden. Sie bestehen aus einer feinen Verschachtelung von Kamazit- und Taenitbändern oder -bändern Lamellen. In Lücken zwischen den Lamellen findet sich üblicherweise eine feinkörnige Mischung aus Kamazit und Taenit, genannt Plessit. Widmanstätten-Muster beschreiben Merkmale moderner Stähle,[1] Titan und Zirkoniumlegierungen.

Entdeckung[edit]

Diese Figuren wurden 1808 nach Graf Alois von Beckh Widmanstätten, dem Direktor der kaiserlichen Porzellanwerke in Wien, benannt. Während der Flammenerwärmung Eisenmeteoriten,[3] Widmanstätten bemerkte eine Differenzierung von Farbe und Glanzzone, als die verschiedenen Eisenlegierungen unterschiedlich schnell oxidierten. Er veröffentlichte seine Ergebnisse nicht und behauptete sie nur durch mündliche Kommunikation mit seinen Kollegen. Die Entdeckung wurde von Carl von Schreibers, Direktor des Wiener Kabinetts für Mineralien und Zoologie, anerkannt, der das Bauwerk nach Widmanstätten benannte.[4][5]::124

Es wird jedoch jetzt angenommen, dass die Entdeckung des Metallkristallmusters tatsächlich dem englischen Mineralogisten William (Guglielmo) Thomson, als er die gleichen Ergebnisse vier Jahre zuvor veröffentlichte.[6][5][7][8]

Thomson arbeitete 1804 in Neapel und behandelte einen Krasnojarsk-Meteoriten mit Salpetersäure, um die durch Oxidation verursachte stumpfe Patina zu entfernen. Kurz nachdem die Säure mit dem Metall in Kontakt gekommen war, erschienen seltsame Gestalten auf der Oberfläche, die er wie oben beschrieben ausführlich beschrieb. Bürgerkriege und politische Instabilität in Süditalien erschwerten es Thomson, den Kontakt zu seinen Kollegen in England aufrechtzuerhalten. Dies zeigte sich in seinem Verlust wichtiger Korrespondenz, als sein Träger ermordet wurde.[7] Infolgedessen wurden seine Ergebnisse 1804 nur in französischer Sprache veröffentlicht Bibliothèque Britannique.[5]::124–125[7][9] Anfang 1806 fiel Napoleon in das Königreich Neapel ein und Thomson musste nach Sizilien fliehen[7] und im November dieses Jahres starb er im Alter von 46 Jahren in Palermo. 1808 wurde Thomsons Werk erneut posthum in italienischer Sprache (übersetzt aus dem englischen Originalmanuskript) in veröffentlicht Atti dell’Accademia Delle Scienze di Siena.[10] Die Napoleonischen Kriege behinderten Thomsons Kontakte zur wissenschaftlichen Gemeinschaft, und seine Reisen durch Europa sowie sein früher Tod verdunkelten seine Beiträge für viele Jahre.

Die gebräuchlichsten Namen für diese Figuren sind Widmanstätten Muster und Widmanstätten StrukturEs gibt jedoch einige Rechtschreibvarianten:

Aufgrund der Entdeckungspriorität von G. Thomson schlugen mehrere Autoren vor, diese Zahlen zu nennen Thomson-Struktur oder Thomson-Widmanstätten-Struktur.[5][7][8]

Mechanismus zur Bildung von Lamellen[edit]

Phasendiagramm, das erklärt, wie sich das Muster bildet. Das erste meteorische Eisen besteht ausschließlich aus Taenit. Beim Abkühlen passiert es eine Phasengrenze, an der Kamazit aus Taenit gelöst wird. Meteorisches Eisen mit weniger als etwa 6% Nickel (Hexahedrit) wird vollständig in Kamazit umgewandelt.
Widmanstättenmuster, metallographisch polierter Abschnitt

Eisen und Nickel bilden bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes homogene Legierungen; Diese Legierungen sind Taenit. Bei Temperaturen unter 900 bis 600 ° C (abhängig vom Ni-Gehalt) sind zwei Legierungen mit unterschiedlichem Nickelgehalt stabil: Kamazit mit niedrigerem Ni-Gehalt (5 bis 15% Ni) und Taenit mit hohem Ni-Gehalt (bis zu 50%). Octahedrit-Meteoriten haben einen Nickelgehalt zwischen der Norm für Kamazit und Taenit; Dies führt unter langsamen Abkühlbedingungen zur Ausfällung von Kamazit und zum Wachstum von Kamazitplatten entlang bestimmter kristallographischer Ebenen im Taenitkristallgitter.

Die Bildung von Ni-armem Kamazit erfolgt durch Diffusion von Ni in der festen Legierung bei Temperaturen zwischen 700 und 450 ° C und kann nur während eines sehr langsamen Abkühlens von etwa 100 bis 10.000 ° C / Myr mit Gesamtkühlzeiten von 10 erfolgen Myr oder weniger.[12] Dies erklärt, warum diese Struktur im Labor nicht reproduziert werden kann.

Die kristallinen Muster werden sichtbar, wenn die Meteoriten geschnitten, poliert und säuregeätzt werden, da Taenit gegenüber der Säure widerstandsfähiger ist.

Die Dimension der Kamazitlamellen reicht von gröbste zu feinste (nach ihrer Größe) mit zunehmendem Nickelgehalt. Diese Klassifizierung wird aufgerufen strukturelle Klassifizierung.

Da Nickel-Eisen-Kristalle nur dann zu Längen von einigen Zentimetern wachsen, wenn sich das feste Metall mit einer außergewöhnlich langsamen Abkühlungsgeschwindigkeit (über mehrere Millionen Jahre) abkühlt, ist das Vorhandensein dieser Muster der Beweis für den außerirdischen Ursprung des Materials und kann verwendet werden leicht feststellen, ob ein Stück Eisen von einem Meteoriten stammt.[citation needed]

Vorbereitung[edit]

Die Methoden zur Aufdeckung des Widmanstätten-Musters an Eisenmeteoriten variieren. Am häufigsten wird die Scheibe gemahlen und poliert, gereinigt, mit einer Chemikalie wie Salpetersäure oder Eisenchlorid geätzt, gewaschen und getrocknet.[13][14]

Form und Orientierung[edit]

Das Schneiden des Meteoriten entlang verschiedener Ebenen beeinflusst die Form und Richtung der Widmanstätten-Figuren, da Kamazitlamellen in Oktaedriten genau angeordnet sind. Oktaeder leiten ihren Namen von der Kristallstruktur ab, die parallel zu einem Oktaeder verläuft. Gegenüberliegende Flächen sind parallel. Obwohl ein Oktaeder 8 Flächen hat, gibt es nur 4 Sätze Kamazitplatten. Eisen und Nickel-Eisen bilden nur sehr selten Kristalle mit einer äußeren oktaedrischen Struktur, aber diese Orientierungen sind ohne die äußere Gewohnheit immer noch kristallographisch klar nachweisbar. Das Schneiden eines Oktaedrit-Meteoriten entlang verschiedener Ebenen (oder eines anderen Materials mit oktaedrischer Symmetrie, das eine Unterklasse der kubischen Symmetrie darstellt) führt zu einem der folgenden Fälle:

  • senkrechter Schnitt zu einer der drei (kubischen) Achsen: zwei Sätze von Bändern im rechten Winkel zueinander
  • paralleler Schnitt zu einer der Oktaederflächen (Schneiden aller 3 kubischen Achsen im gleichen Abstand vom kristallografischen Zentrum): drei Sätze von Bändern, die in einem Winkel von 60 ° zueinander verlaufen
  • Jeder andere Winkel: vier Sätze von Bändern mit unterschiedlichen Schnittwinkeln

Strukturen in nicht meteoritischen Materialien[edit]

Der Begriff Widmanstätten Struktur wird auch für nicht meteoritisches Material verwendet, um eine Struktur mit einem geometrischen Muster anzuzeigen, das aus der Bildung einer neuen Phase entlang bestimmter kristallographischer Ebenen der Ausgangsphase resultiert, wie beispielsweise der Korbgeflechtstruktur in einigen Zirkoniumlegierungen. Die Widmanstätten-Strukturen bilden sich aufgrund des Wachstums neuer Phasen innerhalb der Korngrenzen der Grundmetalle, wodurch im Allgemeinen die Härte und Sprödigkeit des Metalls erhöht wird. Die Strukturen bilden sich durch Ausfällung einer Einkristallphase in zwei getrennte Phasen. Auf diese Weise unterscheidet sich die Widmanstätten-Transformation von anderen Transformationen wie einer Martensit- oder Ferrit-Transformation. Die Strukturen bilden sich in sehr genauen Winkeln, die je nach Anordnung der Kristallgitter variieren können. Dies sind normalerweise sehr kleine Strukturen, die durch ein Mikroskop betrachtet werden müssen, da im Allgemeinen eine sehr lange Abkühlrate erforderlich ist, um mit bloßem Auge sichtbare Strukturen zu erzeugen. Sie haben jedoch gewöhnlich eine große und oft unerwünschte Wirkung auf die Eigenschaften der Legierung.[15]

Widmanstätten-Strukturen neigen dazu, sich innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zu bilden und mit der Zeit größer zu werden. In Kohlenstoffstahl beispielsweise bilden sich beim Anlassen Widmanstätten-Strukturen, wenn der Stahl über einen längeren Zeitraum in einem Bereich um 260 ° C gehalten wird. Diese Strukturen bilden sich als nadel- oder plattenartige Zementitwucherungen innerhalb der Kristallgrenzen des Martensits. Dies erhöht die Sprödigkeit des Stahls auf eine Weise, die nur durch Rekristallisation verringert werden kann. Widmanstätten-Strukturen aus Ferrit treten manchmal in Kohlenstoffstahl auf, wenn der Kohlenstoffgehalt unter, aber nahe der eutektoiden Zusammensetzung (~ 0,8% Kohlenstoff) liegt. Dies tritt als lange Ferritnadeln im Perlit auf.[15]

Widmanstätten-Strukturen bilden sich auch in vielen anderen Metallen. Sie bilden sich in Messing, insbesondere wenn die Legierung einen sehr hohen Zinkgehalt aufweist, und werden zu Zinknadeln in der Kupfermatrix. Die Nadeln bilden sich normalerweise, wenn das Messing von der Rekristallisationstemperatur abkühlt, und werden sehr grob, wenn das Messing für längere Zeit auf 600 ° C (1.112 ° F) geglüht wird.[15]Tellurisches Eisen, eine Meteoriten sehr ähnliche Eisen-Nickel-Legierung, weist ebenfalls sehr grobe Widmanstätten-Strukturen auf. Tellureisen ist eher metallisches Eisen als ein Erz (in dem normalerweise Eisen vorkommt) und stammt eher von der Erde als vom Weltraum. Tellureisen ist ein äußerst seltenes Metall, das nur an wenigen Orten der Welt vorkommt. Wie Meteoriten entwickeln sich die sehr groben Widmanstätten-Strukturen höchstwahrscheinlich durch sehr langsame Abkühlung, außer dass die Abkühlung eher im Erdmantel und in der Erdkruste als im Vakuum und in der Mikrogravitation des Weltraums erfolgte.[16] Solche Muster wurden auch bei Maulbeere, einer ternären Uranlegierung, nach Alterung bei oder unter beobachtet 400 ° C. für Zeiträume von Minuten bis Stunden erzeugt eine monokline ɑ ″ -Phase.[17]

Das Aussehen, die Zusammensetzung und der Entstehungsprozess dieser terrestrischen Widmanstätten-Strukturen unterscheiden sich jedoch von der charakteristischen Struktur der Eisenmeteoriten.

Wenn ein Eisenmeteorit zu einem Werkzeug oder einer Waffe geschmiedet wird, bleiben die Widmanstätten-Muster erhalten, werden jedoch gedehnt und verzerrt. Die Muster können normalerweise nicht vollständig durch Schmiedekunst beseitigt werden, selbst durch umfangreiches Arbeiten. Wenn ein Messer oder Werkzeug aus meteorischem Eisen geschmiedet und dann poliert wird, erscheinen die Muster auf der Oberfläche des Metalls, wenn auch verzerrt, aber sie neigen dazu, einen Teil der ursprünglichen oktaedrischen Form und das Aussehen dünner Lamellen beizubehalten, die sich kreuzen.[18]Mustergeschweißte Stähle wie Damaststahl tragen ebenfalls Muster, sind jedoch an jedem Widmanstätten-Muster leicht zu erkennen.

  • Das in Zircaloy 4 beobachtete Widmanstätten-Muster, βZr-Korngrenzen sind immer noch sichtbar, obwohl βZr in Widmanstätten transformiert wurde.

  • Mikroskopische Aufnahme der vorherigen Sonde

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Dominic Phelan und Rian Dippenaar: Widmanstätten-Ferritplattenbildung in kohlenstoffarmen Stählen, METALLURGISCHE UND MATERIALTRANSAKTIONEN A, BAND 35A, DEZEMBER 2004, p. 3701
  2. ^ Hoffer, FB (August 1974). “Meteoriten von Virginia” (PDF). Virginia Minerals. 20 (3).
  3. ^ O. Richard Norton. Felsen aus dem Weltraum: Meteoriten und Meteoritenjäger. Mountain Press Pub. (1998) ISBN 0-87842-373-7
  4. ^ Schreibers, Carl von (1820). Beyträge zur Geschichte und Kenntniß meteorischer Stein und Metalmassen, und Erscheinungen, welche ihren Niederfall zu gehörenen gehören [Contributions to the history and knowledge of meteoric stones and metallic masses, and phenomena which usually accompany their fall] (auf Deutsch). Wien, Österreich: JG Heubner. S. 70–72.
  5. ^ ein b c d John G. Burke. Kosmische Trümmer: Meteoriten in der Geschichte. University of California Press, 1986. ISBN 0-520-05651-5
  6. ^ Thomson, G. (1804) “Essai sur le fer malléable trouvé en Sibérie von Prof. Pallas” (Essay über Temperguss, gefunden von Prof. Pallas in Sibirien), Bibliotèque Britannique, 27 :: 135–154 ;; 209–229. (auf Französisch)
  7. ^ ein b c d e Gian Battista Vai, W. Glen E. Caldwell. Die Ursprünge der Geologie in Italien. Geologische Gesellschaft von Amerika, 2006, ISBN 0-8137-2411-2
  8. ^ ein b O. Richard Norton. Die Cambridge Encyclopedia of Meteorites. Cambridge, Cambridge University Press, 2002. ISBN 0-521-62143-7.
  9. ^ FA Paneth. Die Entdeckung und frühesten Reproduktionen der Widmanstattenfiguren. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 18, S. 176–182
  10. ^ Thomson, G. (1808). “Saggio di G. Thomson sul ferro formbare trovato da Pallas in Sibirien” [Essay by G. Thomson on malleable iron found by Pallas in Siberia]. Atti dell’Accademia delle Scienze di Siena (auf Italienisch). 9: 37–57.
  11. ^ O. Richard Norton, Persönliche Erinnerungen an Frederick C. Leonard Archiviert 05.07.2008 an der Wayback Machine, Meteorite Magazine – Teil II
  12. ^ Goldstein, JI; Scott, ERD; Chabot, NL (2009), “Eisenmeteoriten: Kristallisation, thermische Vorgeschichte, Elternkörper und Herkunft”, Chemie der Erde – Geochemie, 69 (4): 293–325, Bibcode:2009ChEG … 69..293G, doi:10.1016 / j.chemer.2009.01.002
  13. ^ Harris, Paul; Hartman, Ron; Hartman, James (1. November 2002). “Ätzen von Eisenmeteoriten”. Meteoritenzeiten. Abgerufen 14. Oktober 2016.
  14. ^ Nininger, HH (Februar 1936). “Anweisungen zum Ätzen und Konservieren von metallischen Meteoriten”. Verfahren des Colorado Museum of Natural History. 15 (1): 3–14.
  15. ^ ein b c Metallographie und Mikrostruktur in alten und historischen Metallen Von David A. Scott – J. Paul Getty Trust 1991 Seite 20–21
  16. ^ Meteoritisches Eisen, Tellureisen und Schmiedeeisen in Grönland Von Vagn Fabritius Buchwald, Gert Mosdal – Kommissionen für videnskabelige Undersogelse i Gronland 1979 Seite 20 auf Seite 20
  17. ^ Dean, CW (24. Oktober 1969). “Eine Untersuchung des Zeit-Temperatur-Transformationsverhaltens eines Urans = 7,5 Gewichtsprozent Niob-2,5 Gewichtsprozent Zirkoniumlegierung” (PDF). Union Carbide Corporation, Y-12-Werk, Oak Ridge National Laboratory: 53–54, 65. Oak Ridge-Bericht Y-1694.
  18. ^ Eisen und Stahl in der Antike von Vagn Fabritius Buchwald – Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab 2005 Seite 26

Externe Links[edit]