Кафедра технологии металлов и материаловедения
Материаловедение
Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей
Тверь 2006
Изложена методика выполнения лабораторной работы по макроструктурному методу исследования металлов. Приведены рекомендации по выполнению и требования к оформлению отчета по лабораторной работе. Даны контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов по теме работы.
Составитель: Л.Е. Афанасьева
© Тверской государственный
технический университет, 2006
МАКРОСТРУКТУРНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ (МАКРОАНАЛИЗ)
Цель работы : ознакомиться с методикой проведения макроструктурного анализа. Изучить характерные виды изломов, макроструктуру литой и деформированной стали на макрошлифах. Изучить связь характера макроструктуры с условиями ее формирования и механическими свойствами стали.
Теоретическое введение
Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Макроанализ проводят путем изучения изломов, макрошлифов или внешних поверхностей заготовок и деталей.
Макроанализ позволяет выявить наличие в материале макродефектов, возникших на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катаных заготовок, а также причины и характер разрушения деталей.
С помощью макроанализа устанавливают вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
Методы испытаний и оценки макроструктуры стальных изделий установлены ГОСТ 10243-75.
Изучение изломов.
Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий и усталостный характер.
Хрупкое разрушение протекает без заметной предшествующей пластической деформации. Форма зерна не искажается и на изломе виден исходный размер зерен металла. Поверхность хрупкого излома (рис. 1, а) блестящая, кристаллическая. Разрушение может происходить через зерна (транскристаллический излом), либо по границам зерен (интеркристаллический или межкристаллический излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, снижающих прочность границ зерна. Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала.
Вязкий (волокнистый) излом (рис. 1, б) имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. Поверхность излома матовая, с мелким, неразличимым глазом, зерном. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла.
Усталостный излом (рис.2) образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты (шлаковое включение, поры и т.п.). Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома.
Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.
Метод визуального (или при небольших увеличениях) наблюдения изломов называют фрактографией. На изломах макроструктуру оценивают путем сравнения с нормативными макроструктурами, приведенными в ГОСТ 10243-75, по 25 параметрам. Определение вида, формы и цвета излома позволяет характеризовать многие особенности строения и обработки материала.
Изучение макрошлифов.
Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Его получают следующим образом. На металлорежущем станке или ножовкой вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на шлифовально-полировальном станке шлифовальной шкуркой разной зернистости. Шлифование одной шкуркой нужно проводить в одном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя на более мелкую шкурку, поворачивают образец на 90 о и проводят обработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой. Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению. Состав некоторых реактивов для травления приведен в Приложении 1.
Перед травлением образец обезжиривают и очищают, как правило, этиловым спиртом. Травление большинством реактивов осуществляют, погружая в них образец. При этом следует строго соблюдать правила техники безопасности. Реактив, активно взаимодействуя с участками, где имеются дефекты и неметаллические включения, протравливает их более сильно и глубоко. Поверхность макрошлифа получается рельефной. Такое травление называется глубоким .
Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветных сплавах ликвацию, т.е. химическую неоднородность материала, возникающую при его производстве, макроструктуру литого или деформированного металла, структурную неоднородность материала, подвергнутого термической или химико-термической обработке.
Изучение дендритной макроструктуры литого металла после глубокого травления.
Форма и размер зерен в слитке зависят от условий кристаллизации: температуры жидкого металла, скорости и направления отвода тепла, примесей в металле. Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 3).
б)
Рис. 4. Строение металлического слитка. а) Зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.р.) от степени переохлаждения DТ. б) Макроструктура слитка: 1 – мелкие равноосные зерна (корковая зона), 2 – столбчатые дендриты, 3 – крупные равноосные зерна, 4 – усадочная раковина, 5 – усадочная рыхлость, 6 – ликвационная
зона.
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации Т пл число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей DТ 1 , то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая). При переохлаждении до температуры соответствующей DТ 2 – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.
Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты. Растут дендриты в направлении, близком к направлению теплоотвода. Так как теплоотвод от не закристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка).
Слитки сплавов имеют неодинаковый состав. В процессе кристаллизации все легкоплавкие примеси оттесняются в центр слитка. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией.
Похожая информация.
Соответственно рассмотренным в разделе " " представлениям о жидком состоянии при небольшом перегреве сравнительно с температурой плавления структура близка к структуре кристаллов. Во время охлаждения при приближении к температуре кристаллизации в жидком металле протекают процессы, приводящие к увеличению продолжительности оседлой жизни частиц и большей стабильности квазикристаллов, из которых возникают зародыши новой фазы.
Возникновение и разрушение зародышей происходят непрерывно. Критерием того, образуется ли устойчивый зародыш, или он остается в метастабильном состоянии, является соотношение размеров самого крупного квазикристалла и критического зародыша. С увеличением степени переохлаждения уменьшается критический радиус зародыша.
Радиус атома железа равен 0,8-10^8 см, из чего следует, что даже при больших переохлаждениях критический зародыш будет состоять из сотен и тысяч атомов. Переохлаждения стали легче достигнуть в микрообъемах, в которых заведомо будут отсутствовать твердые включения, могущие быть центрами кристаллизации. М. П. Браун и Ю. Я. Скок на образцах железа массой 10 г, расплавленных в кварцевых тиглях, достигли переохлаждения на 290° С ниже температуры кристаллизации, а А. А. Духин в каплях диаметром 50-100 мкм достиг переохлаждения на 500-550° С.
В реальных слитках столь глубокое переохлаждение не достижимо. Необходимо иметь в виду, что переохлаждение, с одной стороны, увеличивает скорость и вероятность образования зародыша, с другой - уменьшает подвижность частиц в жидкости и замедляет образование кристалла. В присутствии в металле нерастворимых примесей, какими являются, например, неметаллические включения, центры кристаллизации возникают в первую очередь на этих примесях. В этом случае важную роль играет структурное соответствие примеси и кристаллизующегося металла. На легкоплавких металлах, например, обнаружено явление дезактивации нерастворимых примесей, структурно неоднородных с металлом при предварительном большом перегреве.
Растворимые в металле примеси способны изменять величину межфазной энергии. На уменьшении величины межфазной энергии, а следовательно, и снижении необходимой степени переохлаждения и одновременном уменьшении критического радиуса зародыша (в конечном счете уменьшении размера зерна в металле) основано действие модифицирующих добавок в стали. По данным В. Е. Неймарка, при оптимальной концентрации такие элементы, как Al, Ti,V, В и Са, действуют в углеродистой и как модификаторы, измельчающие кристаллическую структуру. В то же время такие добавки, как Zr, Nb и Mg, оказывают незначительное влияние на структуру слитка стали.
Некоторые из отмеченных модифицирующих добавок одновременно являются сильными раскислителями, и введение их в сталь сопровождается образованием окисной дисперсной фазы, которая сама по себе интенсифицирует кристаллизацию.
Рост кристалла и образование дендритной структуры. При кристаллизации чистых веществ, когда остаются постоянными степень переохлаждения расплава и его состав, а на границе кристаллизации сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограниченной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться периодичность кристаллической решетки. В реальных же сплавах кристаллизация сопровождается появлением структурных несовершенств, и, что особенно характерно для сплавов на железной основе, образованием дендритов. Дендриты представляют собой непрерывную пространственную решетку, у которой от толстого ствола ответвляются ветви первого порядка, от них - второго, затем третьего и т. д. Все ветви имеют почти правильную кристаллографическую ориентацию.
| Рис.1 |
Дендриты бывают разнообразных размеров. Чем менее стесненно они растут, тем большей величины они достигают. Масса знаменитого кристалла Чернова, найденного в усадочной раковине 100-т слитка, составляет 3,45 кг, а высота 39 см.
Образование дендритной структуры литой стали было выявлено впервые Д. К. Черновым, и он считал это доказательством ее кристаллического строения. Изучение кристаллической структуры серых чугунов дало Д. К. Чернову основание полагать, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах советских ученых. В предложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к блокированию грани кристалла и прекращению ее роста, вызывающему выбрасывания осей нового порядка.
 |
| Рис.2 |
При перемещении граней СВ и АВ со скоростями vc и vx через промежуток времени Т в положения СгО и АгО (рис.2 а) возрастает градиент концентрации примесей перед гранями АВ и СВ, в то время как в вершине кристалла по линии ВО градиент концентрации примесей ниже и имеет минимальное значение в направлении роста ребра О. При блокировании участков АгВг и СгВ2 мономолекулярным слоем примеси рост грани прекращается, кристалл
За к. 824 289 растет в виде иглы в направлении ВО (рис. 2, б). На грани образуются выступы и зубцы, некоторые из них начинают расти как основная игла (рис. 2, в).
При больших скоростях охлаждения, когда исключаются условия скопления примесей у растущих граней кристалла, дендритная структура кристаллов металла заменяется ячеистой, характеризующейся отсутствием осей второго порядка, а кристаллы имеют вид параллельных стволов, прилегающих друг к другу (рис. 3).
Ячеистая структура, например, наблюдается при охлаждении пластин кремнистой стали (1,5-2,0% Si) толщиной от 1 до 0,1 мм со скоростью 104-106°С/с. Средний диаметр ячейки в этом случае тем меньше, чем выше скорость , и в наиболее быстрозатвердевающих пластинах он составляет 2-2,5 мкм.
В условиях кристаллизующихся слитков ячеистая структура практически не образуется, и для реального стального слитка стали характерна дендритная структура.
Настоящая статья рассматривает скрытые дефекты исходной поверхности металлов и влияние различных способов подготовки поверхности на качество хромового покрытия.
Исследования, описанные ниже, были проведены автором в 90-е годы и являются развитием открытий, сделанных американскими учеными (перевод статьи из журнала «Plating and surface finishing» см. на портале www.galvanicworld.com в разделе «статьи»).
Скрытые дефекты исходной поверхности, незаметные при визуальном осмотре, могут проявляться при последующем зеркальном хромировании. В данном случае представлены фотографии из видеофильма хромированных штоков амортизаторов АвтоВАЗ. Все штоки имели равномерную блестящую поверхность без видимых дефектов. После зеркального хромирования проявилась действительная структура поверхности штока.
Это явление имеет несколько объяснений. Во-первых, при закалке поверхности ТВЧ, процесс проходит по винтовой линии, т.е. на поверхности чередуются закаленные и незакаленные слои.
При этом на закаленной поверхности осаждается более блестящий и более твердый хром. См. рис. 1.
Во-вторых, при последующем шлифовании закаленной поверхности ТВЧ ее качество на каждом участке будет различным. На закаленном участке чистота поверхности выше, а на незакаленном участке, которая имеет меньшую твердость, при нарушении технологии шлифования возможны дефекты: прижоги, вкрапления продуктов шлифования и т.д. Как правило, на таких дефектных участках при хромировании образуются поры. См. рис. 2.
Нарушением технологии шлифования может быть плохо заправленный круг шлифования, который на обрабатываемой поверхности создает четкие кольцевые риски с точечными дефектами. См. рис. 3.
Некачественная подготовка поверхности также возможна в случае биения штока при шлифовании, когда возникает неравномерная обработка поверхности по диаметру. На стороне, где имела место более интенсивная обработка, на поверхности образуются выемки, возможны частичный наклеп поверхности, точечные прижоги, вкрапления продуктов шлифования и другие дефекты. См. рис. 4.
При шлифовании штока в центрах также наблюдаются различия в структуре поверхности, как в средней части, так и по краям детали. См. рис. 5.
Другие дефекты поверхности могут иметь различную природу происхождения: закалочные трещины, пористость исходного металла и мн. др.
Влияние подготовки поверхности на качество хромового покрытия
Сотрудниками лаборатории НПП «Гальванус» были разработаны технология и инструмент для нанесения толстослойных хромовых покрытий (около 700 мкм). Решения оказались достаточно эффективными.
На рис. 6а показан внешний вид хромового покрытия толщиной 400 мкм, полученного на поверхности, подготовленной по традиционной технологии (исходная поверхность хонингования Rа=0,7-0,8 мкм). Как видно, дендриты располагаются четко по хонинговальным рискам.
На рис. 6б показан поперечный разрез осадка по дендриту. Как видно, центром образования дендрита является именно риска, оставленная после хонингования.
На этой же детали был обработан участок специальным инструментом. Шероховатость поверхности практически не изменилась, но стала стабильной (Rа=0,7 мкм). Толщина покрытия 400 мкм. Поверхность хромового покрытия имеет незначительные по размеру дендриты, расположенные хаотично. На рис. 6в представлен внешний вид данного образца.
Дальнейшее совершенствование технологии подготовки поверхности заключалось в дополнительном шлифовании хонингованной поверхности (Rа=0,36-0,66 мкм) и обработке специальным инструментом (Rа=0,27-0,39 мкм).
Получено покрытие толщиной 700 мкм с незначительными дендритами. Внешний вид хромового покрытия представлен на рис. 6г.
Разработанная технология подготовки поверхности позволяет получать качественные толстослойные хромовые покрытия даже на очень грубо обработанной исходной поверхности. На рис. 6д изображен участок с грубо обработанной поверхностью Ra=3,93 мкм (5 кл. чистоты). Хромирование проводилось при плотности тока 90 А\дм2. Получено качественное покрытие толщиной 500 мкм.
Таким образом, при соответствующей механической подготовке поверхности возможно получение качественных хромовых покрытий значительной толщины (без пор и дендритов), качество которых определяется не макро- и микрогеометрией поверхности, а ее наногеометрией. Получение поверхности под гальванопокрытие с заданной наногеометрией возможно по определенной технологии, известной как гальваномеханическое хромирование, которая позволяет избежать многих дефектов хромового покрытия, обусловленных исходной поверхностью.
Неравновесные условия кристаллизации сплавов предопределяют появление неравновесных форм кристаллов. Такой типичной для металлических кристаллов неравновесной формой являются дендриты, названные так за сходство со стволом дерева с отходящими от него ветвями.На рис. 17 изображены дендриты, выросшие на открытой поверхности слитков. Оси дендритов расположены по определенным кристаллографическим направлениям. В металлах с кубической структурой они перпендикулярны граням куба. Взаимная перпендикулярность осей дендритов хорошо видна, если дендриты развиваются свободно, как это происходит на открытой поверхности слитка. Однако внутри массы металла оси многих дендритов переплетаются между собой так, что на шлифе часто невозможно найти ветви, принадлежащие одному дендриту, и убедиться в их взаимной перпендикулярности. На шлифах можно видеть сечения осей дендритов, отделенные межосными промежутками. Эти сечения имеют вид своеобразных ячеек, поэтому их называют дендритными ячейками. Центр ячейки соответствует оси дендрита.
Установлено, что дендритная кристаллизация начинает развиваться уже при небольших скоростях охлаждения (10-15°С мин). Когда идет дендритная кристаллизация, оси дендритов могут расти с очень большой скоростью - до 1000 мм. мин. Они как бы пронизывают кристаллизующийся сплав, создавая каркас. Жидкость, оставшаяся между осями дендритов, затвердевает медленно, с линейной скоростью до 10 мм/мин.
Главную роль в механизме образования дендрита играет неравномерное распределение температуры и неравномерная концентрация примесей и компонентов, понижающих точку плавления металла, в расплаве вокруг растущего кристалла. Кроме того, сказывается анизотропия скорости роста самого кристалла.
Из сопоставления условий неравновесной кристаллизации с механизмом роста дендрита следует, что состав стволов и осей дендритов должен быть близок к концентрации С1н (рис. 14).
Весь процесс неравновесной кристаллизации, связанный с выделением твердого вещества переменного состава, совершается на микроскопическом участке между двумя соседними осями дендрита. Чем больше скорость охлаждения, тем тоньше оси дендритов, меньше расстояния между ними. Это объясняется тем, что чем быстрее охлаждается сплав, чем быстрее растут стволы и оси дендритов, тем меньше времени для формирования обогащенного слоя жидкости вокруг них. Поэтому ширина этого слоя меньше. Так как именно она предопределяет частоту возникновения боковых осей на стволе дендрита, то оси появляются более часто, и расстояния между центрами осей и межосными промежутками уменьшаются. Размер дендритной ячейки, равный удвоенному расстоянию ось - межосный промежуток, с ростом скорости охлаждения от единиц до сотен градусов в минуту уменьшается от 300-500 до 5-10 мкм. Имеется также связь между линейной скоростью роста вершин стволов дендритов v (мм/мин) и расстоянием между боковыми ветвями дендритов х (мм). Эта связь приближенно может быть выражена зависимостью (v+1)(х-0,005)=1. Данная зависимость справедлива для скоростей более 5 мм мин При меньших скоростях боковые ветви на стволах дендритов не развиваются, и дендритный рост сменяется так называемым ячеистым, при котором растут только стволы дендритов. Эти стволы развиваются рядом в одном направлении в сторону расплава. В поперечном сечении на шлифе обнаруживается однородная ячеистая структура, где каждая ячейка является сечением ствола дендрита.
Разница в составе осей дендрита и вещества между осями называется дендритной ликвацией. Достигая наибольшего значения при скорости охлаждения 20-50 °С/мин, дендритная ликвация остается неизменной при охлаждении со скоростями до 1000 °С/мин.
Из сказанного нельзя делать вывод, что дендритная кристаллизация присуща только сплавам, имеющим интервал кристаллизации. Опыт показывает, что даже в чистых металлах, содержащих не более нескольких тысячных долей процента примесей, происходит дендритная кристаллизация, но при больших скоростях охлаждения. Чем чище металл, тем грубее оказываются выросшие в нем дендриты и больше величина дендритной ячейки при одинаковых условиях кристаллизации.
Дендритная кристаллизация и неразрывно связанная с ней концентрационная неоднородность металлов очень сильно влияют на технологические и эксплуатационные свойства сплавов. В общем, дендритная неоднородность - явление нежелательное. Чем больше различие в составе отдельных участков кристаллов и значительнее величина этих участков, тем резче разница в свойствах этих участков. Появляющиеся вследствие неравновесной кристаллизации включения эвтектик между ветвями дендритов способны понизить прочность и пластичность сплава. Однако измельчение внутреннего строения дендрита (малые размеры дендритных ячеек) сопровождается заметным улучшением механических свойств сплава Таким образом оказывается, что грубая дендритная структура с размером ячейки более 100 мкм является причиной низких механических и технологических свойств сплавов, тогда как тонкое дендритное строение с ячейкой 20-30 мкм и менее обусловливает высокие свойства сплавов.
Если литой металл подвергается пластической деформации, дендритная неоднородность является одной из причин возникновения характерной полосчатой структуры, обусловливающей резкую разницу в свойствах металла вдоль и поперек направления деформации. Дендритная неоднородность литого металла может сказываться также на температуре и ходе рекристаллизации металла после его деформирования. Дендритная неоднородность заметно влияет на коррозионную стойкость металла. Чем больше неоднородность, тем сильнее выражена разность потенциалов между участками и интенсивнее коррозия.
Для выравнивания неоднородности состава в микрообъемах сплава, вызванной дендритной неравновесной кристаллизацией, применяют гомогенизирующий отжиг. Гомогенизация проходит тем скорее, чем мельче внутреннее строение дендритов. С этой точки зрения очевидно положительное действие повышенных скоростей охлаждения.
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). 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" .
Рисунок 3. Дендриты в алюминиевые сплавах : дендриты алюминиевого твердого раствора и эвтектика Al-Si.
 |
 |
| Аустенитный чугун ЧН15Д7 | Доэвтектический чугун |
Рисунок 4.
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.
Рисунок 6. Дендритная структура в различных сплавах при увеличении от 100 х до 200 х.
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...
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).
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 100 0 С 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.
