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.
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.
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 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.
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 .
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 ]
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]
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:
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]
