Padrão Widmanstätten - Widmanstätten pattern
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Os padrões de Widmanstätten , também conhecidos como estruturas de Thomson , são figuras de longos cristais de níquel - ferro , encontrados nos meteoritos de ferro octaedritos e em alguns palasitas . Eles consistem em uma fina intercalação de bandas ou fitas de kamacita e taenita chamadas lamelas . Comumente, nas lacunas entre as lamelas, pode ser encontrada uma mistura de granulação fina de kamacita e taenita chamada plessita . Os padrões Widmanstätten descrevem características em aços modernos, ligas de titânio e zircônio.
Descoberta
Em 1808, essas figuras receberam o nome do conde Alois von Beckh Widmanstätten , o diretor das obras de porcelana imperial de Viena . Enquanto a chama aquecia meteoritos de ferro , Widmanstätten notou a diferenciação da cor e da zona de brilho à medida que as várias ligas de ferro oxidavam em taxas diferentes. Ele não publicou suas descobertas, alegando-as apenas por meio de comunicação oral com seus colegas. A descoberta foi reconhecida por Carl von Schreibers , diretor do Gabinete de Minerais e Zoologia de Viena, que batizou a estrutura em homenagem a Widmanstätten. No entanto, acredita-se agora que a descoberta do padrão de cristal de metal deveria, na verdade, ser atribuída ao mineralogista inglês William ( Guglielmo ) Thomson , já que ele publicou as mesmas descobertas quatro anos antes.
Trabalhando em Nápoles em 1804, Thomson tratou um meteorito Krasnojarsk com ácido nítrico em um esforço para remover a pátina opaca causada pela oxidação. Pouco depois de o ácido entrar em contato com o metal, estranhas figuras apareceram na superfície, as quais ele detalhou conforme descrito acima. As guerras civis e a instabilidade política no sul da Itália dificultaram o contato de Thomson com seus colegas na Inglaterra. Isso foi demonstrado em sua perda de correspondência importante quando seu portador foi assassinado. Como resultado, em 1804, suas descobertas foram publicadas apenas em francês na Bibliothèque Britannique . No início de 1806, Napoleão invadiu o Reino de Nápoles e Thomson foi forçado a fugir para a Sicília e, em novembro desse ano, morreu em Palermo aos 46 anos. Em 1808, a obra de Thomson foi novamente publicada postumamente em italiano (traduzido do manuscrito original em inglês) em Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . As guerras napoleônicas obstruíram os contatos de Thomson com a comunidade científica e suas viagens pela Europa, além de sua morte prematura, obscureceram suas contribuições por muitos anos.
Nome
Os nomes mais comuns para essas figuras são padrão Widmanstätten e estrutura Widmanstätten , no entanto, existem algumas variações de grafia:
- Widmanstetter (proposto por Frederick C. Leonard )
- Widmannstätten (usado por exemplo para a cratera lunar Widmannstätten )
- Widmanstatten (anglicizado)
Devido à prioridade de descoberta de G. Thomson , vários autores sugeriram chamar essas figuras de estrutura de Thomson ou estrutura de Thomson-Widmanstätten .
Mecanismo de formação de lamelas
Ferro e níquel formam ligas homogêneas em temperaturas abaixo do ponto de fusão ; essas ligas são taenita . Em temperaturas abaixo de 900 a 600 ° C (dependendo do teor de Ni), duas ligas com diferentes teores de níquel são estáveis: kamacita com menor teor de Ni (5 a 15% Ni) e taenita com alto Ni (até 50%). Os meteoritos octaedritos têm um teor de níquel intermediário entre a norma para kamacita e taenita ; sob condições de resfriamento lento, isso leva à precipitação de kamacita e ao crescimento de placas de kamacita ao longo de certos planos cristalográficos na rede cristalina de taenita .
A formação de kamacita pobre em Ni ocorre por difusão de Ni na liga sólida em temperaturas entre 700 e 450 ° C, e só pode ocorrer durante resfriamento muito lento, cerca de 100 a 10.000 ° C / Myr, com tempos de resfriamento total de 10 Myr ou menos. Isso explica porque essa estrutura não pode ser reproduzida em laboratório.
Os padrões cristalinos se tornam visíveis quando os meteoritos são cortados, polidos e atacados com ácido, porque a taenita é mais resistente ao ácido.
A dimensão das lamelas de kamacita varia das mais grossas às mais finas (em seu tamanho) à medida que o conteúdo de níquel aumenta. Essa classificação é chamada de classificação estrutural .
Usar
Uma vez que os cristais de níquel-ferro atingem comprimentos de alguns centímetros apenas quando o metal sólido esfria a uma taxa excepcionalmente lenta (ao longo de vários milhões de anos), a presença desses padrões é fortemente sugestiva da origem extraterrestre do material, e pode ser usada para indicar se um pedaço de ferro pode vir de um meteorito .
Preparação
Os métodos usados para revelar o padrão Widmanstätten em meteoritos de ferro variam. Mais comumente, a fatia é moída e polida, limpa, atacada com um produto químico como ácido nítrico ou cloreto férrico , lavada e seca.
Forma e orientação
Cortar o meteorito ao longo de diferentes planos afeta a forma e a direção das figuras de Widmanstätten porque as lamelas de kamacita nos octaedritos são precisamente organizadas. Os octaedritos derivam seu nome da estrutura cristalina paralela a um octaedro . As faces opostas são paralelas, portanto, embora um octaedro tenha 8 faces, há apenas 4 conjuntos de placas de kamacita. O ferro e o níquel-ferro formam cristais com uma estrutura octaédrica externa muito raramente, mas essas orientações ainda são claramente detectáveis cristalograficamente sem o hábito externo. Cortar um meteorito octaedrito ao longo de planos diferentes (ou qualquer outro material com simetria octaédrica, que é uma subclasse de simetria cúbica) resultará em um destes casos:
- corte perpendicular a um dos três eixos (cúbicos): dois conjuntos de bandas perpendiculares entre si
- corte paralelo a uma das faces do octaedro (cortando todos os 3 eixos cúbicos na mesma distância do centro cristalográfico): três conjuntos de bandas correndo em ângulos de 60 ° entre si
- qualquer outro ângulo: quatro conjuntos de bandas com diferentes ângulos de intersecção
Estruturas em materiais não meteoríticos
O termo estrutura Widmanstätten também é usado em material não meteorítico para indicar uma estrutura com um padrão geométrico resultante da formação de uma nova fase ao longo de certos planos cristalográficos da fase original, como a estrutura de trama em algumas ligas de zircônio . As estruturas Widmanstätten se formam devido ao crescimento de novas fases dentro dos limites dos grãos dos metais originais, geralmente aumentando a dureza e fragilidade do metal. As estruturas se formam devido à precipitação de uma única fase de cristal em duas fases separadas. Desta forma, a transformação de Widmanstätten difere de outras transformações, como uma transformação de martensita ou ferrita. As estruturas se formam em ângulos muito precisos, que podem variar dependendo do arranjo das redes cristalinas. Essas são geralmente estruturas muito pequenas que devem ser vistas através de um microscópio, porque uma taxa de resfriamento muito longa geralmente é necessária para produzir estruturas visíveis a olho nu. No entanto, eles geralmente têm um efeito grande e muitas vezes indesejável nas propriedades da liga.
As estruturas Widmanstätten tendem a se formar dentro de uma determinada faixa de temperatura, crescendo com o tempo. No aço carbono , por exemplo, as estruturas de Widmanstätten se formam durante o revenimento se o aço for mantido dentro de uma faixa em torno de 500 ° F (260 ° C) por longos períodos de tempo. Essas estruturas se formam como crescimentos em forma de agulha ou placa de cementita dentro dos limites do cristal da martensita. Isso aumenta a fragilidade do aço de uma forma que só pode ser aliviada por recristalização. As estruturas Widmanstätten feitas de ferrita às vezes ocorrem no aço carbono, se o teor de carbono estiver abaixo, mas próximo da composição eutetóide (~ 0,8% de carbono). Isso ocorre como longas agulhas de ferrita dentro da perlita .
As estruturas Widmanstätten também se formam em muitos outros metais. Eles se formarão em latão, especialmente se a liga tiver um teor muito alto de zinco, tornando-se agulhas de zinco na matriz de cobre. As agulhas geralmente se formam quando o latão esfria com a temperatura de recristalização e se tornam muito grosseiras se o latão for recozido a 1.112 ° F (600 ° C) por longos períodos de tempo. O ferro telúrico , que é uma liga de ferro-níquel muito semelhante aos meteoritos, também exibe estruturas de Widmanstätten muito grosseiras. Ferro telúrico é ferro metálico, em vez de um minério (no qual o ferro é geralmente encontrado), e se originou da Terra e não do espaço. O ferro telúrico é um metal extremamente raro, encontrado apenas em alguns lugares do mundo. Como os meteoritos, as estruturas muito grosseiras de Widmanstätten provavelmente se desenvolvem por meio de um resfriamento muito lento, exceto que o resfriamento ocorreu no manto e na crosta terrestre, e não no vácuo e na microgravidade do espaço . Esses padrões também foram observados na amoreira , uma liga ternária de urânio, após envelhecimento em ou abaixo400 ° C por períodos de minutos a horas produz uma fase monoclínica ɑ ″.
No entanto, a aparência, a composição e o processo de formação dessas estruturas terrestres de Widmanstätten são diferentes da estrutura característica dos meteoritos de ferro.
Quando um meteorito de ferro é transformado em uma ferramenta ou arma, os padrões de Widmanstätten permanecem, mas tornam-se esticados e distorcidos. Os padrões geralmente não podem ser totalmente eliminados pela ferraria, mesmo com trabalho extensivo. Quando uma faca ou ferramenta é forjada em ferro meteórico e depois polida, os padrões aparecem na superfície do metal, embora distorcidos, mas tendem a reter parte da forma octaédrica original e a aparência de lamelas finas se entrecruzando. Aços soldados por padrão , como o aço Damasco, também apresentam padrões, mas são facilmente discerníveis em qualquer padrão Widmanstätten.