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ウィドマンシュテッテン構造/ ˈ v ɪ d m ɑː n ˌ ʃ t eɪ t ɪ n / ( VID -man-shtay-tin ) は、トムソン構造とも呼ばれ、鉄隕石結晶の八面体形状や一部のパラサイトに見られるニッケル鉄の長い相の図です。
鉄隕石は、鉄ニッケル合金の単結晶から形成されることが非常に多く、時には数メートルにも及ぶ複数の大きな結晶から形成されることもあり、表面には目立った結晶境界がないことが多い。金属において大きな結晶は稀であり、隕石では、太陽系が最初に形成された宇宙空間の真空中で溶融状態から極めてゆっくりと冷却されることによって形成される。固体状態になると、ゆっくりとした冷却によって固溶体が結晶格子 内で成長する別の相を析出させ、格子によって決定される特定の角度で形成される。隕石では、これらの格子間欠陥が十分に大きくなり、肉眼で容易に見える針状またはリボン状の構造で結晶全体を埋め尽くし、元の格子をほぼ完全に消費することがある。これらは、ラメラと呼ばれるカマサイトとテーナイトの帯状またはリボン状の微細な層が交互に重なった構造である。一般的に、薄層間の隙間には、プレサイトと呼ばれるカマサイトとテーナイトの微細な混合物が見られる。[ 1 ]
ウィドマンシュテッテン構造は、現代の鋼鉄[ 2 ] 、チタン、ジルコニウム合金に類似した特徴を説明するが、通常は微細なものである。
1808年、ウィーンの帝国磁器工場の責任者であったアロイス・フォン・ベック・ヴィドマンシュテッテン伯爵がこれらの模様を観察した。鉄隕石を炎で加熱していたとき、[ 4 ]ヴィドマンシュテッテンは、さまざまな鉄合金が異なる速度で酸化するにつれて、色と光沢のゾーンの差異に気づいた。彼は自分の発見を公表せず、同僚との口頭でのやり取りでのみ主張した。この発見は、ウィーン鉱物動物学キャビネットの責任者であったカール・フォン・シュライバースによって認められ、彼はその構造をヴィドマンシュテッテンにちなんで命名した。 [ 5 ] [ 6 ]： 124しかし、金属結晶パターンの発見は、4年前に同じ発見を発表したイギリスの鉱物学者ウィリアム（グリエルモ）トムソンに帰属すべきであると現在では考えられている。 [ 7 ] [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]
1804年にナポリで活動していたトムソンは、クラスノヤルスク隕石を硝酸で処理し、酸化によって生じたくすんだ緑青を除去した。酸が金属に接触した直後、表面に奇妙な模様が現れ、彼はそれを上記のように詳細に記述した。南イタリアの内戦と政治的不安定により、トムソンはイギリスの同僚と連絡を取り続けることが困難になった。これは、重要な書簡の配達人が殺害された際に、その書簡が失われたことからも明らかである。[ 8 ]その結果、1804年には、彼の研究成果はフランス語でのみブリタニーク図書館に掲載された。[ 6 ] : 124–125 [ 8 ] [ 10 ] 1806 年初頭、ナポレオンがナポリ王国に侵攻し、トムソンはシチリア島への逃亡を余儀なくされ[ 8 ]、同年 11 月、パレルモで46 歳で死去した。1808 年、トムソンの著作は、イタリア語で (元の英語原稿から翻訳)、Atti dell'Accademia Delle Scienze di Sienaに死後再び出版された。[ 11 ]ナポレオン戦争はトムソンの科学界との交流を妨げ、ヨーロッパ各地への旅行は、早すぎる死に加えて、長年にわたり彼の貢献を覆い隠した。
The most common names for these figures are Widmanstätten pattern and Widmanstätten structure; however, there are some spelling variations:
Due to the discovery priority of G. Thomson, several authors suggested calling these figures Thomson structure or Thomson-Widmanstätten structure.[6][8][9]
The formation of Ni-poor kamacite proceeds by diffusion of Ni in the solid alloy at temperatures between 450 and 700 °C, and can only take place during very slow cooling, about 100 to 10,000 °C/Myr, with total cooling times of 10 Myr or less.[13] This explains why this structure cannot be reproduced in the laboratory.
The crystalline patterns become visible when the meteorites are cut, polished, and acid-etched, because taenite is more resistant to the acid.
The dimension of kamacite lamellae ranges from coarsest to finest (upon their size) as the nickel content increases. This classification is called structural classification.
鉄とニッケルは融点以下の温度で均質な合金を形成します。これらの合金はテーナイトです。900～600 ℃（ニッケル含有量による）以下の温度では、ニッケル含有量の異なる2種類の合金が安定しています。ニッケル含有量が低いカマサイト（ニッケル含有量5～15%）と、ニッケル含有量が高いテーナイト（最大50%）です。オクタヘドライト隕石は、カマサイトとテーナイトの標準値の中間のニッケル含有量を持っています。そのため、ゆっくりとした冷却条件下では、カマサイトが析出し、テーナイト結晶格子内の特定の結晶面に沿ってカマサイト板が成長します。
鉄隕石のウィドマンシュテッテン構造を明らかにするために用いられる方法は様々である。最も一般的な方法は、スライスを研磨し、洗浄し、硝酸や塩化第二鉄などの化学薬品でエッチングし、洗浄し、乾燥させることである。[ 14 ] [ 15 ]
隕石を異なる平面で切断すると、八面体隕石中のカマサイト薄層が精密に配列されているため、ウィドマンシュテッテン図形の形状と方向が変わります。八面体隕石は、正八面体に平行な結晶構造にちなんで名付けられました。対向する面は平行であるため、正八面体には8つの面がありますが、カマサイト板は4組しかありません。鉄とニッケル鉄は、外部に八面体構造を持つ結晶を形成することは非常にまれですが、これらの配向は、外部の結晶形がなくても結晶学的に明確に検出できます。八面体隕石（または立方対称のサブクラスである八面体対称を持つ他の物質）を異なる平面で切断すると、次のいずれかのケースになります。
ウィドマンシュテッテン構造という用語は、非隕石材料にも使用され、母相の特定の結晶面に沿って新しい相が形成されることによって生じる幾何学的パターンを持つ構造を示します。たとえば、一部のジルコニウム合金のバスケットウィーブ構造などです。ウィドマンシュテッテン構造は、母金属の粒界内で新しい相が成長することによって形成され、一般的に金属の硬度と脆性を高めます。この構造は、単一の結晶相が2つの異なる相に析出することによって形成されます。このように、ウィドマンシュテッテン変態は、マルテンサイト変態やフェライト変態などの他の変態とは異なります。この構造は非常に正確な角度で形成され、その角度は結晶格子の配置によって変化する場合があります。これらは通常、肉眼で見える構造を生成するには通常非常に長い冷却速度が必要となるため、顕微鏡を通して観察する必要がある非常に小さな構造です。しかし、これらは通常、合金の特性に大きな、そしてしばしば望ましくない影響を与えます。[ 16 ]
ウィドマンシュテッテン構造は、特定の温度範囲内で形成され、時間とともに大きくなる傾向があります。たとえば、炭素鋼では、鋼が約500 °F (260 °C)の範囲で長時間保持されると、焼戻し中にウィドマンシュテッテン構造が形成されます。これらの構造は、マルテンサイトの結晶境界内にセメンタイトの針状または板状の成長として形成されます。これにより、鋼の脆性が増大し、再結晶によってのみ緩和できます。炭素含有量が共析組成 (炭素約 0.8%)より低いが近い場合、炭素鋼にフェライトからなるウィドマンシュテッテン構造が発生することがあります。これは、パーライト内に長い針状のフェライトとして発生します。[ 16 ]
ウィドマンシュテッテン構造は、他の多くの金属でも形成されます。真鍮でも形成され、特に合金の亜鉛含有量が非常に高い場合は、銅マトリックス中に亜鉛の針状結晶が形成されます。針状結晶は通常、真鍮が再結晶温度から冷却されるときに形成され、真鍮を1,112 °F (600 °C)で長時間焼きなますと、非常に粗くなります。[ 16 ]隕石と非常によく似た鉄ニッケル合金である地殻鉄も、非常に粗いウィドマンシュテッテン構造を示します。地殻鉄は、鉱石 (鉄が通常見つかるもの) ではなく金属鉄であり、宇宙からではなく地球から発生しました。地殻鉄は希少金属であり、世界のごく限られた場所でしか見つかりません。隕石と同様に、非常に粗いウィドマンシュテッテン構造は、おそらく非常にゆっくりとした冷却によって形成されるが、その冷却は宇宙の真空と微小重力ではなく、地球のマントルと地殻で起こった。[ 17 ]このようなパターンは、三元ウラン合金であるマルベリーでも、一定温度以下で時効処理した後に見られる。 400 °Cで数分から数時間加熱すると、単斜晶系のα ″相が生成される。[ 18 ]
しかし、これらの地球上のウィドマンシュテッテン構造の外観、組成、形成過程は、鉄隕石の特徴的な構造とは異なっている。[ 19 ]
鉄隕石を鍛造して道具や武器を作ると、ウィドマンシュテッテン模様は残るものの、引き伸ばされて歪む。これらの模様は、鍛冶で徹底的に加工しても、通常は完全に除去することはできない。隕鉄からナイフや道具を鍛造して研磨すると、模様は歪んではいるものの、金属の表面に現れる。それでも、元の八面体の形状や、薄い薄板が交差しているような外観は残る傾向がある。[ 19 ]
ニッケル鉄の結晶は、固体金属が非常にゆっくりとした速度（数百万年以上）で冷却された場合にのみ数センチメートルの長さに成長するため、これらの模様の存在は、その物質が地球外起源であることを強く示唆しており、鉄片が隕石由来であるかどうかを示すために使用できる。