Los patrones de Widmanstätten , también conocidos como estructuras de Thomson , son figuras de largas fases de níquel - hierro , que se encuentran en las formas de octaedrita de los cristales de meteoritos de hierro y algunas palasitas .
Los meteoritos de hierro se forman muy a menudo a partir de un solo cristal de aleación de hierro y níquel o, a veces, de varios cristales grandes que pueden tener un tamaño de muchos metros y, a menudo, carecen de cualquier límite cristalino discernible en la superficie. Los cristales grandes son extremadamente raros en los metales, y en los meteoros se producen por un enfriamiento extremadamente lento desde un estado fundido en el vacío del espacio cuando se formó el sistema solar por primera vez. Una vez en estado sólido, el enfriamiento lento permite que la solución sólida precipite una fase separada que crece dentro de la red cristalina , que se forma en ángulos muy específicos que están determinados por la red cristalina. En los meteoros, estos defectos intersticiales pueden crecer lo suficiente como para llenar todo el cristal con estructuras en forma de agujas o cintas fácilmente visibles a simple vista, consumiendo casi por completo la red original. Consisten en un fino entrelazado de bandas o cintas de kamacita y taenita llamadas laminillas . Comúnmente, en los espacios entre las laminillas se puede encontrar una mezcla de grano fino de kamacita y taenita llamada plesita . [1]
Las estructuras de Widmanstätten describen características análogas en los aceros modernos, [2] titanio y aleaciones de circonio, pero suelen ser de tamaño microscópico.
En 1808, estas figuras fueron observadas por el conde Alois von Beckh Widmanstätten , director de la fábrica de porcelana imperial de Viena . Mientras la llama calentaba meteoritos de hierro , [4] Widmanstätten notó una diferenciación de zonas de color y brillo a medida que las distintas aleaciones de hierro se oxidaban a diferentes velocidades. No publicó sus hallazgos y los reclamó únicamente a través de comunicación oral con sus colegas. El descubrimiento fue reconocido por Carl von Schreibers , director del Gabinete de Zoología y Minerales de Viena, quien nombró la estructura en honor a Widmanstätten. [5] [6] : 124 Sin embargo, ahora se cree que el descubrimiento del patrón de cristal metálico debería atribuirse al mineralogista inglés William ( Guglielmo ) Thomson , ya que publicó los mismos hallazgos cuatro años antes. [7] [6] [8] [9]
Trabajando en Nápoles en 1804, Thomson trató un meteorito de Krasnojarsk con ácido nítrico para eliminar la pátina opaca causada por la oxidación. Poco después de que el ácido hiciera contacto con el metal, aparecieron extrañas figuras en la superficie, que detalló como se describió anteriormente. Las guerras civiles y la inestabilidad política en el sur de Italia dificultaron que Thomson mantuviera el contacto con sus colegas en Inglaterra. Esto quedó demostrado en la pérdida de correspondencia importante cuando su portador fue asesinado. [8] Como resultado, en 1804, sus hallazgos sólo se publicaron en francés en la Bibliothèque Britannique . [6] : 124–125 [8] [10] A principios de 1806, Napoleón invadió el Reino de Nápoles y Thomson se vio obligado a huir a Sicilia [8] y en noviembre de ese año murió en Palermo a la edad de 46. En 1808, la obra de Thomson se publicó nuevamente póstumamente en italiano (traducida del manuscrito original en inglés) en Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . [11] Las guerras napoleónicas obstruyeron los contactos de Thomson con la comunidad científica y sus viajes por Europa, además de su temprana muerte, oscurecieron sus contribuciones durante muchos años.
Los nombres más comunes para estas figuras son Patrón de Widmanstätten y Estructura de Widmanstätten , sin embargo, existen algunas variaciones ortográficas:
Debido a la prioridad de descubrimiento de G. Thomson , varios autores sugirieron llamar a estas figuras estructura de Thomson o estructura de Thomson-Widmanstätten . [6] [8] [9]
El hierro y el níquel forman aleaciones homogéneas a temperaturas inferiores al punto de fusión ; estas aleaciones son taenita . A temperaturas inferiores a 900 a 600 °C (dependiendo del contenido de Ni), dos aleaciones con diferente contenido de níquel son estables: la kamacita con menor contenido de Ni (5 a 15 % de Ni) y la teenita con alto contenido de Ni (hasta 50 %). Los meteoritos de octaedrita tienen un contenido de níquel intermedio entre la norma de kamacita y taenita ; esto conduce, en condiciones de enfriamiento lento, a la precipitación de kamacita y al crecimiento de placas de kamacita a lo largo de ciertos planos cristalográficos en la red cristalina de taenita .
La formación de kamacita pobre en Ni se produce por difusión de Ni en la aleación sólida a temperaturas entre 450 y 700 °C, y sólo puede tener lugar durante un enfriamiento muy lento, alrededor de 100 a 10.000 °C/Myr, con tiempos de enfriamiento totales de 10 Myr o menos. [13] Esto explica por qué esta estructura no se puede reproducir en el laboratorio.
Los patrones cristalinos se vuelven visibles cuando los meteoritos se cortan, pulen y graban con ácido, porque la taenita es más resistente al ácido.
La dimensión de las láminas de kamacita varía de más gruesa a más fina (según su tamaño) a medida que aumenta el contenido de níquel. Esta clasificación se llama clasificación estructural .
Dado que los cristales de níquel-hierro crecen hasta longitudes de algunos centímetros sólo cuando el metal sólido se enfría a un ritmo excepcionalmente lento (durante varios millones de años), la presencia de estos patrones sugiere fuertemente el origen extraterrestre del material y puede usarse para Indica si un trozo de hierro puede provenir de un meteorito . [ cita necesaria ]
Los métodos utilizados para revelar el patrón de Widmanstätten en los meteoritos de hierro varían. Lo más común es que la rebanada se muele y se pula, se limpia, se graba con una sustancia química como ácido nítrico o cloruro férrico , se lava y se seca. [14] [15]
Cortar el meteorito a lo largo de diferentes planos afecta la forma y dirección de las figuras de Widmanstätten porque las láminas de kamacita en las octaedritas están dispuestas con precisión. Las octaedritas derivan su nombre de la estructura cristalina paralela a un octaedro . Las caras opuestas son paralelas, por lo que, aunque un octaedro tiene 8 caras, sólo hay 4 conjuntos de placas de kamacita. El hierro y el níquel-hierro forman cristales con una estructura octaédrica externa muy raramente, pero estas orientaciones todavía son claramente detectables cristalográficamente sin el hábito externo. Cortar un meteorito octaedrita a lo largo de diferentes planos (o cualquier otro material con simetría octaédrica, que es una subclase de simetría cúbica) dará como resultado uno de estos casos:
El término estructura de Widmanstätten también se utiliza en materiales no meteoríticos para indicar una estructura con un patrón geométrico resultante de la formación de una nueva fase a lo largo de ciertos planos cristalográficos de la fase original, como la estructura de tejido de cesta en algunas aleaciones de circonio . Las estructuras de Widmanstätten se forman debido al crecimiento de nuevas fases dentro de los límites de grano de los metales originales, generalmente aumentando la dureza y fragilidad del metal. Las estructuras se forman debido a la precipitación de una fase monocristalina en dos fases separadas. En este sentido, la transformación de Widmanstätten se diferencia de otras transformaciones, como la transformación de martensita o ferrita. Las estructuras se forman en ángulos muy precisos, que pueden variar según la disposición de las redes cristalinas. Suelen ser estructuras muy pequeñas que deben observarse a través de un microscopio porque generalmente se necesita una velocidad de enfriamiento muy prolongada para producir estructuras visibles a simple vista. Sin embargo, normalmente tienen un efecto importante y a menudo indeseable sobre las propiedades de la aleación. [dieciséis]
Las estructuras de Widmanstätten tienden a formarse dentro de un cierto rango de temperatura y crecen con el tiempo. En el acero al carbono , por ejemplo, las estructuras Widmanstätten se forman durante el templado si el acero se mantiene dentro de un rango de alrededor de 500 °F (260 °C) durante largos períodos de tiempo. Estas estructuras se forman como crecimientos de cementita en forma de agujas o placas dentro de los límites cristalinos de la martensita. Esto aumenta la fragilidad del acero de una manera que sólo puede aliviarse mediante recristalización. Las estructuras Widmanstätten hechas de ferrita a veces ocurren en acero al carbono, si el contenido de carbono está por debajo pero cerca de la composición eutectoide (~ 0,8% de carbono). Esto ocurre como largas agujas de ferrita dentro de la perlita . [dieciséis]
Las estructuras de Widmanstätten también se forman en muchos otros metales. Se formarán en latón, especialmente si la aleación tiene un contenido de zinc muy alto, convirtiéndose en agujas de zinc en la matriz de cobre. Las agujas generalmente se formarán cuando el latón se enfríe debido a la temperatura de recristalización y se volverán muy gruesas si el latón se recoce a 1112 °F (600 °C) durante períodos prolongados. [16] El hierro telúrico , que es una aleación de hierro y níquel muy similar a los meteoritos, también presenta estructuras de Widmanstätten muy toscas. El hierro telúrico es hierro metálico, no un mineral (en el que normalmente se encuentra el hierro), y se originó en la Tierra y no en el espacio. El hierro telúrico es un metal extremadamente raro que se encuentra sólo en unos pocos lugares del mundo. Al igual que los meteoritos, las estructuras muy toscas de Widmanstätten probablemente se desarrollan a través de un enfriamiento muy lento, excepto que el enfriamiento se produjo en el manto y la corteza terrestres y no en el vacío y la microgravedad del espacio . [17] Estos patrones también se han observado en la morera , una aleación ternaria de uranio, después de envejecer a una temperatura igual o inferior.400 °C durante períodos de minutos a horas produce una fase ɑ″ monoclínica . [18]
Sin embargo, la apariencia, la composición y el proceso de formación de estas estructuras terrestres de Widmanstätten difieren de la estructura característica de los meteoritos de hierro. [ cita necesaria ]
Cuando un meteorito de hierro se transforma en una herramienta o arma, los patrones de Widmanstätten permanecen pero se estiran y distorsionan. Por lo general, los patrones no pueden eliminarse por completo mediante la herrería, ni siquiera mediante un trabajo extenso. Cuando un cuchillo o herramienta se forja con hierro meteórico y luego se pule, los patrones aparecen en la superficie del metal, aunque distorsionados, pero tienden a conservar algunas de las formas octaédricas originales y la apariencia de láminas delgadas que se entrecruzan entre sí. [19]
