4. Форма і розміри кристалів

На форму і розміри кристалів впливають умови кристалізації, а саме ступінь перегрівання і переохолодження, напрямок тепловідведення, наявність домішок, окислення металу, тертя його об стінки форми, а також природа самого металу.

С кладність урахування дії цих факторів посилюються неоднорідністю рідини нерівномірністю її температури. Остання обставина зумовлює концентраційні та конвекційні потоки в рідині, які теж ускладнюють умови кристалізації.

Головним же фактором, що впливає на процес кристалізації, слід вважати ступінь переохолодження, який визначається швидкістю охо­лодження рідкого металу чим більша остання, тим більший ступінь переохолодження.

Г Тамман вивчав вплив ступеня переохолодження на параметри n і с кристалізації деяких органічних речовин. При переохолодженні до температури Т₁ (мал. 1.10) швидкість утворення зародків невисока, тоді як швидкість росту кристалів є значною У цих умовах з невеликої кількості зародків досить швидко виростуть великі кристали, тобто утвориться крупнозерниста структура Навпаки, при температурі Т₂ де n велика, а с мала із багатьох зародків відносно повільно ростимуть численні кристали. Але два сусідні кристали ростуть доти, поки вони не зіткнуться один з одним, після чого ріст обох припиняється. Зрозуміло, що в таких умовах утвориться дрібнозерниста структура.

За теорією Таммана, кількість зерен N пропорційна швидкості утворення центрів кристалізації п і обернено пропорційна швидкості росту с:

N = k п/с, (1.4)

де k - сталий коефіцієнт.

Для металів розмір їх зерна значною мірою впливає на механічні та інші їх властивості. Так, дрібнозернистий метал характеризується більш високими в’язкістю та пластичністю, ніж крупнозернистий.

Форма кристалів визначається принципом Гіббса-Кюрі-Вульфа (законом Вульфа-Кюрї):

Мінімум поверхневої енергії при заданому об’ємі багатогранника досягається при такому взаємному розташуванні його граней, коли вони віддалені від однієї й тієї ж точки на відстані пропорційні їх питомим поверхневим енергіям.

Згідно з цим принципом, поверхнева енергія кристала, що росте повинна бути мінімальною. Звідси випливає, що грані з більшим поверхневим натягом при рості кристала повинні переміщуватися швидше, ніж інші, і у процесі росту мають зменшувати свою площу і навіть зовсім зникати (заростати).

Кристал, що вільно росте у рідині, без перешкод з боку своїх сусі­дів, зберігає правильну геометричну форму, огранену гранями з найменшим поверхневим натягом. Це означає, наприклад, що метали з ГЦК-ґраткою матимуть форму не куба, а октаедра, оскільки саме на площинах октаедра {111} поверхневий натяг найменший, бо ці площи­ни є найбільш щільноупакованими і їх відповідні характеристики пере­важають ті самі показники для площин куба {100}.

Отже, рівноважною формою кристала, яка формується в умовах повільного охолодження, є поліедрична. За умов прискореного охолод­ження, нарівні з щільноупакованими, виникають грані з менш щільним пакуванням і більшим поверхневим натягом, що сприяє утворенню дендритних, пластинчастих, голчастих та інших кристалів, але найчастіше – дендритних.

Д ендритна форма кристалів є наслідком анізотропії їх росту, коли головні та бічні осі дендритів ростуть у певних кристалографічних напрямках Так, для металів з ГЦК-ґраткою на перших етапах їх росту виникають шість паростків у трьох взаємно перпендикулярних напрямках (мал. 1.11, а, б). Ці паростки згодом перетворюються на го­ловні осі дендрита - осі першого порядку. Водночас з їх подовженням, перпендикулярно до них відростають осі другого порядку, на яких, у свою чергу, утворюються осі (гілки) третього порядку (мал. 1.11, в).

Напрямок розвитку дендритних кристалів або, як їх ще називають, дендритних колоній, визначається не лише анізотропією швидкості росту, а й напрямком тепловідведення. Дендрити ростуть у напрямку, протилежному останньому або, під невеликим кутом до нього.

При подальшій кристалізації, коли рідини залишається уже неба­гато, проміжки між осями дендритів заповнюються дрібними криста­лами іншої форми, особливо при уповільненні охолодження металу, що кристалізується. Але навіть невеликої кількості домішок, абсорбованих гілками дендритів, досить, щоб дендритна структура була виявлена при мікроскопічному дослідженні, а часто - й неозброєним оком.

При будь-якому виді обробки тиском крупні, розгалужені дендрит­ні кристали ламаються, і дендритна структура зникає. Зберегтися вона може лише в литому металі, який не зазнавав обробки тиском. Отже, дендритна структура є характерною ознакою литого металу, чиї властивості, як відомо, поступаються властивостям деформованого металу.