Изображений дендритной структуры металлов в Интернете очень мало, не считая известной фотографии кристалла Чернова, да еще схемы из учебника А.П. Гуляева. Но уже если заниматься структурами металлов, то надо знать, как они выглядят. В таком деле, как металловедение, никакое описание не заменит реальных изображений структур, их рассмотрения, осмысления, анализа.
Итак, дендриты в металлах. Прежде всего надо сказать, что дендритные структуры формируются, как правило, при кристаллизации из расплава.
Кристаллизация из жидкости начинается появлением центров кристаллизации, т.е. точек, из которых продолжается дальнейшее построение кристаллов. В результате этого из жидкости начинают формироваться кристаллические образования разного вида. В исключительных случаях формируется кристалл, имеющий геометрически правильную форму – многогранника или полиэдра. Это происходит в тех случаях, когда внешние условия способствуют полному развитию кристалла (во всех направлениях).
В обычных условиях формируются кристаллы неправильных очертаний, которые называют кристаллитами. Различают кристаллиты двух видов. В одном случае форма кристаллита приближается к многогранной, или же принимает округлые очертания. Такое образование называется зерном. В другом случае кристаллические образования имеют ветвистую форму с незаполненными промежутками, напоминающую деревце. Их и называют дендритами.
Дендриты являются начальной стадией формирования кристалла. Кристалл начинает формироваться от центра кристаллизации. При этом не получается плотная укладка кристаллических групп в один кристалл; сначала эти группы связываются друг с другом по определенным направлениям, образуя оси будущего кристалла.
Если условия кристаллизации таковы, что пространства между осями не успевают или не могут заполниться, форма дендрита сохраняется и ее можно наблюдать.
Дендри́ты (от греч. δένδρον — дерево) — сложнокристаллические образования древовидной ветвящейся структуры (wikipedia – статья «Дендрит(кристалл)»). Это определение очень удачное - дендриты действительно имеют ветвящуюся структуру, похожую на деревце. И это можно доказать. На рисунке 1 показан самый настоящий дендрит. Он сформировался в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе Ni-Ti-O.
Рисунок 1. Истинный дендрит.
Дендрит является монокристаллом (т.е. одним кристаллом). Схема формирования дендрита представлена на рисунке 2. Сначала формируются оси первого порядка, потом на них зарождаются и растут оси второго порядка. Далее – третьего.
Рисунок 2. Схема формирования дендрита.
Как видно из представленных ниже рисунков, дендриты в металле по форме действительно представляют собой «веточки». Иногда говорят "ветви дендритов".
Сплав АЛ25 | Сплав АК12 |
Рисунок 3. Дендриты в алюминиевые сплавах: дендриты алюминиевого твердого раствора и эвтектика Al-Si.
Аустенитный чугун ЧН15Д7 | Доэвтектический чугун |
Рисунок 4. Дендриты в чугуне.
В реальном кристалле обычно видны оси первого и второго порядков, третьего – реже (в сущности, на их формирование просто не хватает времени – кристаллизация заканчивается). В общем, чем больше порядков видно, тем медленнее кристаллизовался сплав. Ниже на рисунке 5 показан дендрит, содержащий оси трех порядков. Третий порядок сформирован не полностью, в некоторых местах оси третьего порядка только намечаются. Ось первого порядка –зеленая стрелка, второго – синяя, третьего – красная.
Рисунок 5. Дендриты разных порядков в силумине.
Дендритные структуры различных сплавов подобны. По виду литой структуры не всегда можно понять, какой это сплав, в особенности при небольшом увеличении. Например, дендриты в стали, чугуне, меди и оксидной системе.
Сталь | Кислородная медь |
Доэвтектический чугун | Оксидная система на основе Ni-Ti |
Рисунок 6. Дендритная структура в различных сплавах при увеличении от 100х до 200х.
Иногда дендрит имеет форму (принято говорить «морфологию»), свойственную совершенно определенным сплавам. Например, в заэвтектическом силумине (сплав алюминий-кремний. содержание кремния более 11,7%) при литье в землю формируются кристаллы кремния, имеющие дендритное строение. Это так называемые скелетные кристаллы кремния. Иногда говорят «скелетики» кремния. При более высокой скорости кристаллизации (литье в металлическую форму - кокиль) кристаллы кремния уже имеют полигональную форму. Встречаются, правда, и исключения...
Заэвтектический силумин, литье «в землю» | |
Заэвтектический силумин, литье в кокиль | "Звездочка" кремния в заэвтектическом силумине |
Рисунок 7. Кристаллы кремния в заэвтектическом силумине.
При большем увеличении сплав легче определить: легированный силумин (дендрит кремнистой фазы), ферритный чугун (дендриты феррита), баббит (дендрит сурьмы). Четвертый рисунок идентифицировать не просто – это структура, полученная самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (возможно, дендрит интерметаллида на фоне эвтектики).
Легированный силумин | Феррито-перлитный чугун |
Баббит | Система Ni-Ti-O |
Рисунок 8. Характерные дендриты в различных сплавах.
Можно было бы спросить: зачем так много о дендритах?
Дело в том, что каждому материалу придают определенную структуру, исходя из практических целей. Например, чугуны "работают" в литом состоянии (их можно и деформировать, но это не является темой настоящей статьи). Сталь, как правило, поставляется в деформированном состоянии. Лист, пруток, полоса, лента - все это формы поставки стальных полуфабрикатов. Для получения таких полуфабрикатов исходно литая сталь проходит специальную обработку давлением при повышенных температурах. Литой структуры после такой обработки быть не должно. Поэтому, если она сохранилась, то это брак. Это показано на рис.9. Окружностью отмечен литой "скелетик" в стали. Мы еще вернемся к этой теме в разделе "Антипродукция".
Рисунок 9. Остатки литой структуры в стали Р18 (изделие - метчик).
Дендриты должны быть узнаваемы не только непосредственно в сплавах, но и во вспомогательных материалах, например в сплаве Вуда. Вид структуры сплава Вуда бывает разным. Это зависит от состава, а также "свежий" это сплав, или же многократно использованный. На рисунке 10 показаны дендриты в сплаве Вуда, многократно переплавленном. Естественно, что в таком сплаве достаточно много "грязи", попавшей в сплав при переплавах.
а | б |
в | г |
Рисунок 10. Дендриты в сплаве Вуда: а - светлопольное изображение; б-г - дифференциально-интерференционный контраст.
Ледяные узоры узнаваемы всегда. Лед – это твердая форма существования воды, которая образуется в процессе кристаллизации (замерзания). Формы ее разнообразны. Кстати, дендриты льда можно видеть в каждой замерзающей луже (следует помнить, что вода в интервале температур от 0 до 1000С представляет собой расплав льда).
Рисунок 11. Дендриты льда различной морфологии (фото со стекла).
Снежинки – это тоже дендриты, только в форме звездочек.
А вот ниже показаны дендриты, которые мы, к сожалению, не столько видим, сколько чувствуем. Это кристаллы льда на поверхности тротуарной плитки. всерху - вода. После мороза наступила оттепель, пошел дождь. Плитка нагреться не успела по причине своей недостаточной теплопроводности. Вот часть дождевой воды и закристаллизовалась.
Рисунок 11. Дендриты льда на поверхности плитки, на которой все падают.
Следующие фотографии - это "дендриты на металлах". На рисунке 13 представлены результаты промывки шлифа бериллиевой бронзы этиловым спиртом (вместо воды) после травления насыщенным раствором бихромата калия в серной кислоте. Промывка спиртом не удалась, реактив остался на поверхности и высох. При различных увеличениях на поверхности можно видеть кристаллы бихромата калия. Они имеют свой характерный цвет.
а | б |
Рисунок 13. Дендриты бихромата калия на образце бериллиевой бронзы БрБ2.