Видманштеттенова структура

Видманштеттенова структура (Видманштеттова структура) является характерным микроструктурным элементом, часто встречающимся в метеоритных железах, а также в некоторых быстро охлаждаемых сплавах, особенно в тех, которые содержат железо и никель. Эта структура состоит из тонких пластин или игл, образованных фазой камацита, внедренными в матрицу из феррита или других железо-никелевых сплавов.

Видманштетеновая структура. Структура, характеризующаяся геометрическим рисунком, возникающим в результате образования новой фазы вдоль определенных кристаллографических плоскостей исходного твердого раствора. Ориентация решетки в новой фазе кристаллографически связана с ориентацией решетки в родительской фазе. Такая структура первоначально наблюдалась в метеоритах, но легко образуется и во многих других сплавах, например в титане, при соответствующей термической обработке

Справочник по металлам ASM 1985 года

Присутствие Видманштеттеновой структуры является индикатором медленного охлаждения материала в космической среде, что позволяет идентифицировать метеориты среди других типов железа и сплавов. Эта структура является особенно интересной для исследователей, так как позволяет делать выводы о термической истории метеорита и его происхождении.

История открытия Видманштеттеновой структуры

Графу Алоису фон Бекх Видманштеттену (1753-1849), директору Императорского фарфорового завода в Вене, обычно приписывают открытие хорошо известного узора из переплетающихся длинных и прямоугольных структур на вытравленных железо-никелевых метеоритах. На следующей фотографии приведен пример того, как это выглядит:

Видманштеттен только рассказывал о своих наблюдениях и никогда ничего не публиковал. Термин “узор Видманштеттена” был придуман другими в 1808 году. Сейчас считается, что на самом деле заслуга открытия принадлежит английскому геологу Г. Томсону (1760-1806), который опубликовал те же результаты четырьмя годами ранее. Поэтому мы также иногда называем эти структуры структурами Томсона.
Структура состоит из fcc γ-фазы и bcc α-фазы, которая развивается в богатом никелем (Ni) железе, если скорость охлаждения очень медленная. А под “очень медленной” я имею в виду что-то вроде снижения температуры на несколько сантиградов за миллион лет! Именно это происходит внутри планет или других крупных объектов, но никогда – в лаборатории, где работают смертные.
Что происходит на таких временных масштабах и почему это приводит к типичной картине, достаточно хорошо изучено и задокументировано во многих работах.
Поскольку структуру Томсона невозможно получить в лаборатории, ее наличие в каком-либо образце доказывает его внеземное происхождение.

Феррит Видманштеттена

В немецком языке феррит Видманштеттена также известен как “Überhitzungsgefüge” или перегретая структура. Это особенно хорошо видно на примере гипоэвтектоидной простой углеродистой стали, которая быстро охлаждается с температуры, значительно превышающей (“перегретой”) температуру A3, при которой чистая γ-фаза (аустенит) начинает превращаться в первичный феррит и аустенит. Вот еще раз соответствующая часть фазовой диаграммы, но уже со схематическим изображением развития структуры при быстром охлаждении

Если начать работу в области чистого аустенита при достаточно высоких температурах, зерна аустенита будут крупными. Когда наступает область α + γ, феррит должен развиться. Если времени мало, поскольку охлаждение происходит быстро, кристаллы феррита будут зарождаться по границам зерен, а поскольку зерна очень большие, то и внутри них. Они быстро вырастают в каком-то предпочтительном направлении внутри зерна и таким образом становятся “длинными”. Это просто означает, что вы получаете ферритовые иглы (“ацикулярный рост”) или пластины, которые имеют тенденцию выравниваться вдоль одного и того же направления в пределах одного зерна.
Когда достигается температура превращения A1, оставшийся аустенит превращается в мелкий и, возможно, беспорядочный перлит, который может даже не иметь четкого рисунка “зебры”.
Другими словами – бейнитная структура.

Это особая форма бейнита. Поскольку он возник из крупнозернистого (перегретого) аустенита, его структура более грубая, чем у “обычного” бейнита.
Нельзя получить видманштеттенский материал для смесей около эвтектоидного состава. Образование характерных длинных структур происходит при формировании первичного феррита или первичного цементита, а этого в эвтектоидных составах просто не бывает.
Поэтому неудивительно, что “хороший” видманштеттенский феррит наблюдается только в сталях с низким содержанием углерода, скажем, менее 0,4 % углерода.
Ферритные структуры Видманштеттена возникают не только при охлаждении стали в определенных условиях, но и в тех частях сварных швов или в литых деталях, которые остывают достаточно быстро. Их появление не особенно приветствуется, поскольку они имеют тенденцию быть более твердыми и, в частности, более хрупкими, чем обычная ферритная/перлитная структура. Если выбирается сталь с содержанием углерода 0,3 %, вероятно, требуется пластичность, а не твердость, и свойства “бейнитной” структуры Видманштеттена – это не то, что требуется при применении выбраной стали.
Конечно, более хрупкая низкоуглеродистая сталь Видманштеттена легче поддается обработке (она легче отслаивается). Поэтому можно выбрать эти структуры, если нужно деталь или изделие много обрабатывать на токарном или сверлильном станке, а затем вернуть готовой детали высокую пластичность путем нормализации, то есть нагрева до температуры чуть выше А1 в течение некоторого времени и не слишком быстрого охлаждения.

Видманштеттенова структура в стали 20

Видманштеттенова (или Видманштеттова) структура в стали 20, согласно российской классификации (аналог стали AISI 1020), может образовываться при определённых условиях термической обработки. Сталь 20 – это углеродистая сталь с низким содержанием углерода (около 0.20%), что делает её податливой к различным видам термической обработки.

Видманштеттенова структура в таких сталях обычно формируется при медленном охлаждении из аустенитной области, часто после нормализации или аннилирования. Это связано с выделением феррита или цементита в виде пластин или игл из аустенитной матрицы. Структура Видманштеттенова характеризуется наличием пластинчатого или игольчатого феррита, расположенного по определённым кристаллографическим направлениям относительно аустенитной матрицы.

Однако, необходимо отметить, что в углеродистых сталях, как правило, Видманштеттенова структура не является желательной, так как может снижать механические свойства материала, в частности его пластичность и ударную вязкость. Эта структура обычно считается признаком неправильной термической обработки или чрезмерно медленного охлаждения.

Выше представлено иллюстративное изображение, отображающее Видманштеттенову структуру в стали 20 (российская классификация, эквивалент AISI 1020). На изображении видны пластины или иглы феррита или цементита, образующиеся из аустенитной матрицы, что является характерной чертой Видманштеттеновой структуры. Структура представлена в виде пластинчатого или игольчатого феррита, ориентированного вдоль определённых кристаллографических направлений относительно аустенитной матрицы, что подчёркивает точность и сложность этой микроструктуры в стали 20.

Видманштеттенова структура в титановых сплавах

Видманштеттенова структура также может образовываться в титановых сплавах. Это связано с тем, что титан обладает двумя кристаллическими структурами (альфа и бета) и может проходить фазовые превращения при определённых температурных условиях. Видманштеттенова структура в титановых сплавах часто формируется в результате медленного охлаждения из бета-фазы, что приводит к выделению альфа-фазы в виде игл или пластин. Это типично для многих высокопрочных титановых сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности и других областях, где требуются специфические механические свойства.

Видманштеттенова структура в титановых сплавах формируется в результате фазовых превращений. Титан имеет две кристаллические структуры: альфа (гексагональная плотноупакованная) и бета (кубическая объёмноцентрированная). При охлаждении из бета-фазы, альфа-фаза может выделяться в виде игл или пластин в бета-матрице. Это происходит, когда охлаждение достаточно медленное, чтобы дать возможность для диффузии атомов и образования упорядоченных структур.

Данный тип структуры в титановых сплавах важен, так как влияет на механические свойства, включая прочность, твёрдость и пластичность. Видманштеттенова структура часто встречается в высокопрочных сплавах титана, которые используются в аэрокосмической и других высокотехнологичных отраслях.

Видманштеттенова структура может образовываться не только в титановых сплавах и углеродистых сталях, но также в ряде других металлических систем. Например, она может формироваться в некоторых высокопрочных алюминиевых сплавах, особенно в тех, которые подвергаются контролируемой термической обработке для улучшения их механических свойств. Кроме того, Видманштеттенова структура может наблюдаться в сплавах на основе никеля и других сплавах, где она формируется в результате медленного охлаждения или аннилирования, обеспечивающего диффузию атомов и образование характерных структур.