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Patrón de Widmanstätten

Segmento del meteorito Toluca , de unos 10 cm de ancho

Los patrones de Widmanstätten , también conocidos como estructuras de Thomson , son figuras de fases largas de níquel - hierro , que se encuentran en las formas octaédricas de los cristales de meteoritos de hierro y algunas pallasitas .

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 una serie de cristales grandes que pueden tener muchos metros de tamaño, y a menudo carecen de cualquier límite cristalino discernible en la superficie. Los cristales grandes son extremadamente raros en los metales, y en los meteoritos se producen a partir de un enfriamiento extremadamente lento desde un estado fundido en el vacío del espacio cuando se formó por primera vez el sistema solar. 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. En los meteoritos, estos defectos intersticiales pueden crecer lo suficiente como para llenar todo el cristal con estructuras en forma de aguja o cinta fácilmente visibles a simple vista, consumiendo casi por completo la red original. Consisten en un fino intercalado de bandas o cintas de kamacita y taenita llamadas láminas . Comúnmente, en los espacios entre las láminas, se puede encontrar una mezcla de grano fino de kamacita y taenita llamada plesita . [1]

Las estructuras de Widmanstätten describen características análogas en aceros modernos, [2] titanio y aleaciones de circonio, pero generalmente son de tamaño microscópico.

Descubrimiento

Patrón de Widmanstätten en el meteorito Staunton [i]

En 1808, estas figuras fueron observadas por el conde Alois von Beckh Widmanstätten , director de las obras de porcelana imperial en Viena . Mientras calentaba con llama meteoritos de hierro , [4] Widmanstätten notó una diferenciación de zonas de color y brillo a medida que las diversas aleaciones de hierro se oxidaban a diferentes velocidades. No publicó sus hallazgos, reivindicándolos solo a través de comunicación oral con sus colegas. El descubrimiento fue reconocido por Carl von Schreibers , director del Gabinete de Minerales y Zoología de Viena, quien nombró la estructura en honor a Widmanstätten. [5] [6] : 124  Sin embargo, ahora se cree que el descubrimiento del patrón de cristales de metal debe atribuirse al mineralogista inglés William ( Guglielmo ) Thomson , ya que publicó los mismos hallazgos cuatro años antes. [7] [6] [8] [9]

En 1804, mientras trabajaba en Nápoles, Thomson trató un meteorito de Krasnoyarsk con ácido nítrico para eliminar la pátina opaca causada por la oxidación. Poco después de que el ácido entrara en contacto con el metal, aparecieron extrañas figuras en la superficie, que detalló como se describe anteriormente. Las guerras civiles y la inestabilidad política en el sur de Italia hicieron que fuera difícil para Thomson mantener el contacto con sus colegas en Inglaterra. Esto se demostró en su pérdida de correspondencia importante cuando su portador fue asesinado. [8] Como resultado, en 1804, sus hallazgos solo 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 años. En 1808, el trabajo de Thomson fue publicado nuevamente póstumamente en italiano (traducido 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.

Nombre

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]

Mecanismo de formación de láminas

Diagrama de fases que explica cómo se forma el patrón. El primer hierro meteórico está compuesto exclusivamente de taenita. Al enfriarse, pasa por un límite de fases donde la kamacita se exuelve de la taenita. El hierro meteórico con menos de un 6 % de níquel ( hexaedrita ) se transforma completamente en kamacita.
Patrón Widmanstätten, sección pulida metalográfica

El hierro y el níquel forman aleaciones homogéneas a temperaturas inferiores al punto de fusión ; estas aleaciones son la 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 taenita con alto contenido de Ni (hasta 50%). Los meteoritos de octahedrita tienen un contenido de níquel intermedio entre lo normal para la kamacita y la taenita ; esto conduce, en condiciones de enfriamiento lento, a la precipitación de la kamacita y al crecimiento de placas de kamacita a lo largo de ciertos planos cristalográficos en la red cristalina de la 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 solo 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 hacen visibles cuando los meteoritos se cortan, se pulen y se graban con ácido, porque la taenita es más resistente al ácido.

El fino patrón de Widmanstätten (ancho de láminas de 0,3 mm) de un meteorito de Gibeon .

La dimensión de las láminas de kamacita varía de la más gruesa a la más fina (según su tamaño) a medida que aumenta el contenido de níquel. Esta clasificación se denomina clasificación estructural .

Uso

Dado que los cristales de níquel y hierro crecen hasta longitudes de algunos centímetros solo cuando el metal sólido se enfría a un ritmo excepcionalmente lento (a lo largo de varios millones de años), la presencia de estos patrones sugiere fuertemente el origen extraterrestre del material y puede usarse para indicar si un trozo de hierro puede provenir de un meteorito . [ cita requerida ]

Preparación

Rebanada grabada de un meteorito de Canyon Diablo que muestra un patrón de Widmanstätten

Los métodos utilizados para revelar el patrón de Widmanstätten en meteoritos de hierro varían. Lo más común es que la rodaja se pula, se limpie, se grabe con un producto químico como ácido nítrico o cloruro férrico , se lave y se seque. [14] [15]

Forma y orientación

Octaedro
Diferentes cortes producen diferentes patrones de Widmanstätten

Cortar el meteorito a lo largo de diferentes planos afecta la forma y la 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, solo hay 4 conjuntos de placas de kamacita. El hierro y el níquel-hierro forman cristales con una estructura octaédrica externa solo muy raramente, pero estas orientaciones aún son claramente detectables cristalográficamente sin el hábito externo. Cortar un meteorito de 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:

Estructuras en materiales no meteoríticos

El término estructura de Widmanstätten también se utiliza en material no meteorítico 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 canasta 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 la fragilidad del metal. Las estructuras se forman debido a la precipitación de una fase monocristalina en dos fases separadas. De esta manera, la transformación de Widmanstätten difiere de otras transformaciones, como una transformación de martensita o ferrita. Las estructuras se forman en ángulos muy precisos, que pueden variar dependiendo de la disposición de las redes cristalinas. Por lo general, se trata de estructuras muy pequeñas que deben observarse a través de un microscopio porque generalmente se necesita una velocidad de enfriamiento muy larga para producir estructuras visibles a simple vista. Sin embargo, generalmente tienen un gran efecto y a menudo indeseable en las propiedades de la aleación. [16]

Las estructuras de Widmanstätten tienden a formarse dentro de un cierto rango de temperatura, creciendo con el tiempo. En el acero al carbono , por ejemplo, las estructuras de 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 aguja o placa dentro de los límites cristalinos de la martensita. Esto aumenta la fragilidad del acero de una manera que solo se puede aliviar mediante la recristalización. Las estructuras de 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 . [16]

Las estructuras de Widmanstätten también se forman en muchos otros metales. Se formarán en latón, especialmente si la aleación tiene un contenido muy alto de zinc, convirtiéndose en agujas de zinc en la matriz de cobre. Las agujas se formarán generalmente cuando el latón se enfríe desde la temperatura de recristalización, y se volverán muy gruesas si el latón se recoce a 1112 °F (600 °C) durante largos períodos. [16] El hierro telúrico , que es una aleación de hierro y níquel muy similar a los meteoritos, también muestra estructuras de Widmanstätten muy gruesas. El hierro telúrico es hierro metálico, en lugar de un mineral (en el que generalmente se encuentra el hierro), y se originó en la Tierra en lugar de en el espacio. El hierro telúrico es un metal extremadamente raro, que se encuentra solo en unos pocos lugares del mundo. Al igual que los meteoritos, las estructuras de Widmanstätten muy gruesas probablemente se desarrollen a través de un enfriamiento muy lento, excepto que el enfriamiento ocurrió en el manto y la corteza de la Tierra en lugar de en el vacío y la microgravedad del espacio . [17] También se han observado patrones similares en la morera , una aleación ternaria de uranio, después de envejecer a temperaturas de -100 ºC o inferiores.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 son diferentes de la estructura característica de los meteoritos de hierro. [ cita requerida ]

Cuando se forja un meteorito de hierro para fabricar una herramienta o un arma, los patrones de Widmanstätten permanecen, pero se estiran y distorsionan. Por lo general, los patrones no se pueden eliminar por completo mediante herrería, ni siquiera tras un trabajo intensivo. Cuando se forja un cuchillo o una herramienta a partir de 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]

Véase también

Referencias

  1. ^ El meteorito Staunton fue encontrado cerca de Staunton, Virginia , a mediados del siglo XIX. Se localizaron seis piezas de níquel-hierro en un período de varias décadas, con un peso total de 270 libras. [3]
  1. ^ Enciclopedia del sistema solar de Tilman Spohn, Doris Breuer, Torrence V. Johnson -- Elsevier 2014 Página 632
  2. ^ Dominic Phelan y Rian Dippenaar: Formación de placas de ferrita de Widmanstätten en aceros con bajo contenido de carbono, METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, VOLUMEN 35A, DICIEMBRE DE 2004, pág. 3701
  3. ^ Hoffer, FB (agosto de 1974). «Meteoritos de Virginia» (PDF) . Virginia Minerals . 20 (3). Archivado (PDF) del original el 18 de septiembre de 2021. Consultado el 8 de octubre de 2019 .
  4. ^ O. Richard Norton. Rocas del espacio: meteoritos y cazadores de meteoritos . Mountain Press Pub. (1998) ISBN 0-87842-373-7 
  5. ^ Schreibers, Carl von (1820). Beyträge zur Geschichte und Kenntniß meteorischer Stein und Metalmassen, und Erscheinungen , welche deren Niederfall zu begleiten pflegen [ Contribuciones a la historia y el conocimiento de las piedras meteóricas y las masas metálicas, y los fenómenos que suelen acompañar a su caída ] (en alemán). Viena, Austria: JG Heubner. págs. 70–72.
  6. ^ abcd John G. Burke. Residuos cósmicos: meteoritos en la historia . University of California Press, 1986. ISBN 0-520-05651-5 
  7. ^ Thomson, G. (1804) "Essai sur le fer maleable trouvé en Sibérie par le Prof. Pallas" (Ensayo sobre el hierro maleable encontrado en Siberia por el Prof. Pallas), Bibliotèque Britannique , 27  : 135-154 Archivado el 15 de diciembre de 2019 , en la Wayback Machine  ; 209–229. Archivado el 15 de diciembre de 2019 en Wayback Machine (en francés)
  8. ^ abcde Gian Battista Vai, W. Glen E. Caldwell. Los orígenes de la geología en Italia. Sociedad Geológica de América, 2006, ISBN 0-8137-2411-2 
  9. ^ ab O. Richard Norton. La enciclopedia de meteoritos de Cambridge . Cambridge, Cambridge University Press, 2002. ISBN 0-521-62143-7
  10. ^ FA Paneth. El descubrimiento y las primeras reproducciones de las figuras de Widmanstatten . Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 18, págs. 176-182
  11. ^ Thomson, G. (1808). "Saggio di G.Thomson sul ferro maleabile trovato da Pallas in Siberia" [Ensayo de G. Thomson sobre el hierro maleable encontrado por Pallas en Siberia]. Atti dell'Accademia delle Scienze di Siena (en italiano). 9 : 37–57.
  12. ^ O. Richard Norton, Recuerdos personales de Frederick C. Leonard Archivado el 5 de julio de 2008 en Wayback Machine , Meteorite Magazine – Parte II
  13. ^ Goldstein, JI; Scott, ERD; Chabot, NL (2009), "Meteoritos de hierro: cristalización, historia térmica, cuerpos progenitores y origen", Chemie der Erde – Geochemistry , 69 (4): 293–325, Bibcode :2009ChEG...69..293G, doi :10.1016/j.chemer.2009.01.002
  14. ^ Harris, Paul; Hartman, Ron; Hartman, James (1 de noviembre de 2002). «Grabado de meteoritos de hierro». Meteorite Times. Archivado desde el original el 18 de octubre de 2016. Consultado el 14 de octubre de 2016 .
  15. ^ Nininger, HH (febrero de 1936). "Instrucciones para el grabado y la conservación de meteoritos metálicos". Actas del Museo de Historia Natural de Colorado . 15 (1): 3–14. Bibcode :1945PA.....53...82N.
  16. ^ abc Metalografía y microestructura en metales antiguos e históricos Por David A. Scott – J. Paul Getty Trust 1991 Páginas 20–21
  17. ^ Hierro meteorítico, hierro telúrico y hierro forjado en Groenlandia Por Vagn Fabritius Buchwald, Gert Mosdal - Kommissionen for videnskabelige Undersogelse i Gronland 1979 Página 20 en la página 20
  18. ^ Dean, CW (24 de octubre de 1969). "Un estudio del comportamiento de la transformación tiempo-temperatura de una aleación de uranio=7,5 por ciento en peso de niobio-2,5 por ciento en peso de circonio" (PDF) . Union Carbide Corporation, Planta Y-12 , Laboratorio Nacional de Oak Ridge . pp. 53–54, 65. Oak Ridge Report Y-1694. Archivado (PDF) del original el 24 de julio de 2018. Consultado el 20 de febrero de 2018 .
  19. ^ Hierro y acero en la antigüedad por Vagn Fabritius Buchwald - Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab 2005 Página 26

Enlaces externos