Дендритный рост кристаллов

Факторы, оказывающие влияние на кинетику кристаллизации и размер зерен, оказывают влияние и на их форму. В условиях близких к равновесию образуются правильно ограненные кристаллы. Они растут медленно, поверхность их гладкая, хотя и содержит необходимые для застройки граней ступеньки (рисунок 2.8).

С увеличением степени переохлаждения межфазная поверхность становится неровной, на поверхности металла появляется множество ячеек, средняя часть которых несколько выдвигается в расплав (рисунок 2.8, б).

Рисунок 2.8. Формы роста кристаллов в расплаве при кристаллизации: а - плоский (ограненный) кристалл; б - столбчатый ячеистый; в - дендритный: цифры у осей - соответственно, оси первого, второго и третьего порядков

Появление ячеистой структуры связывается с присутствием в расплаве и перераспределением примесей. При наличии постоянного теплоотвода от поверхности отливки в первую очередь кристаллизуются наиболее чистые по содержанию примесей участки жидкого металла, в связи с чем наблюдается выдвижение фронта кристаллизации в расплав. Объемы жидкого металла, наиболее загрязненные примесями оттесняются в появившиеся впадинки на фронте кристаллизации, затвердевают в последнюю очередь и образуют границы ячеек. Выращенный в таких условиях кристалл приобретает столбчатую, вытянутую в направлении теплоотвода форму, напоминающую связку карандашей, боковые поверхности которых соответствуют обогащенным примесями границам зерен.

При еще большем увеличении степени переохлаждения, что достигается увеличением теплоотвода от кристаллизирующейся жидкости, выступы на межфазной границе становятся настолько большими, что жидкость между выступами значительно отстает по темпу затвердевания от выступающих частей кристалла. Наступает так называемый дендритный тип кристаллизации.

Образовавшиеся длинные выступы становятся осями первого порядка. При возникновении на поверхности этих осей неровностей (выступов) появляются новые направления возможного роста кристалла, т.е. оси второго, третьего порядка и т.д. Кристалл в процессе роста напоминает дерево в среде жидкого металла. Если обеспечить слив металла, не закристаллизовавшегося к данному моменту времени, то можно получить дендрит в чистом виде - иллюстрацию для изучения дендритного роста кристаллов (дендрит Чернова). Наслаивание металла на образовавшиеся оси первого, второго и т.д. порядков при последующей кристаллизации приводит к заполнению всего междендритного пространства и образованию сплошного кристалла. Однако слои металла, образующие сплошной кристалл, появившиеся в различные моменты кристаллизации отличаются по содержанию примесей. Оси формируются наиболее чистым металлом, участки, закристаллизовавшиеся в междендритном пространстве в последнюю очередь. Последние наиболее сильно загрязнены примесями.

Дендритный рост кристаллов объясняется следующим образом. Наиболее стабильным кристаллом, например металла с ГЦК решеткой, является кристалл, образованный наиболее плотно упакованными плоскостями (111).Такой кристалл имеет форму октаэдра (рисунок 2.9).

Грани октаэдра обладают минимальной свободной энергией. Вершины октаэдра, как правило, обладают значительным количеством дефектов кристаллического строения, повышенной свободной энергией. В связи с этим уже на ранних этапах роста октаэдрический кристалл отбрасывает шесть отростков в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эти отростки превращаются в оси первого порядка, ответвления от которых образуют оси второго, третьего и т.д. порядков.

Рисунок 2.9. Начальные этапы дендритного роста кристаллов: а - рост совершенного ограненного кристалла в виде октаэдра; б - образование отростков (дендритных осей первого порядка)

Ускоренный рост выступающих участков дендрита обусловлен несколькими причинами:

1. Особенности упаковки атомов и преимущественное расположение выходов дефектов кристаллического строения на поверхности этих участков.

2. Выступающие участки кристалла соприкасаются с большим объемом жидкости, приходящейся на единицу их поверхности. За счет этого быстрее рассеивается теплота кристаллизации, выделяющаяся на фронте затвердевания. При этом оказывается, что острие соприкасается с более охлажденным металлом, чем около боковых поверхностей, в связи с чем кристаллизация оказывается более выгодной у острия.

3. Влияние примесей. Накапливаясь в жидком металле у вогнутых участков кристалла, примесь тормозит их рост. Рост же острых выступов, соприкасающихся с расплавом исходного состава, не задерживается.