Генная инженерия материи: дендриты, уплотнение вещества из эфира и как выращиваются металлы. Гальванические покрытия, хромирование В каком направлении происходит образование дендритов
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.
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.
ДЕНДРИТНОЕ СТРОЕНИЕ (стали и других сплавов), строение, при котором наблюдается расположение кристаллов металла в виде елочных веточек (дендритов). Дендриты рассматриваются то как недоразвившиеся крупные кристаллы, то как друзы мелких кристалликов. Эти кристаллы ясно видимы невооруженным глазом в усадочных раковинах медленно остывших слитков чистых металлов, или на их наружных поверхностях, а в сплавах - и на их полированных и протравленных поверхностях сечения. Это различие объясняется тем, что дендриты в чистых металлах совершенно однородны и поэтому не обнаруживаются травлением; в сплавах же, вследствие особого характера их застывания, сопровождающегося сегрегацией, дендриты неоднородны, причем оси дендритов состоят из более тугоплавких составных частей, а междуосные пространства - из более легкоплавких. В стали эта неоднородность вызывается присутствующими в ней примесями, главным образом углеродом и фосфором, которые вследствие сегрегации накопляются в междуосных пространствах. Дендритное строение отчетливо наблюдается во всякой литой стали (см. эскизы), причем величина дендритов, их расположение и резкость их очертаний зависят от условий отливки и охлаждения стали и от содержания в ней примесей.
Дендритное строение мало изменяется термической обработкой - закалкой и отжигом, вследствие крайней медленности происходящих при высоких температурах диффузии примесей и выравнивания химического состава дендритов. Механическая же обработка - ковка, прокатка и штамповка - сильно деформирует металл, причем строение его переходит в неясно-дендритное или спутанно-волокнистое. К такому строению и стремятся при изготовлении ответственных стальных изделий, т. к. оно отвечает более высоким механическим качествам, чем ясно выраженное дендритное строение.
Слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870 - 1880 г. Д. К. Черновым. При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных кристаллографических направлениях. Например, максимальный рост кристаллита металлов и сплавов с кубической решеткой происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих октаэдрическим осям. В результате образуются ветви - оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации определенными углами. При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го порядка, а от них - оси 3-го порядка и т. д. В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита. Остающаяся часть расплава между дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви. Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора - скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации (Смотри ). Закристаллизовавшийся дендрит-литое , выросшее из одного зародышевого центра, с той же кристаллографической ориентировкой. Соседние ветви дендритов могут быть разориентированы на несколько градусов из-за их изгибов и смещения при кристаллизации. Дендритное строение литых зерен металлов и в особенности сплавов хорошо выявляется при травлении микрошлифов и просмотре их с помощью светового микроскопа.
Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .
Синонимы :Смотреть что такое "Дендрит" в других словарях:
ДЕНДРИТ - (греч. dendrites, от dendron дерево). Камень, преимущественно известняк, с природными древовидными изображениями на нем. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ДЕНДРИТ греч. dendrites, от dendron, дерево.… … Словарь иностранных слов русского языка
Дендрит - [δένδρον (δендрон) дерево] древовидные агр., б. ч. фигуры роста, состоящие из отдельных сросшихся друг с другом в параллельном или двойниковом положении кристаллических индивидов (иногда из скопления… … Геологическая энциклопедия
дендрит - агрегат, кристалл, отросток Словарь русских синонимов. дендрит сущ., кол во синонимов: 4 агрегат (34) … Словарь синонимов
дендрит - Выросший из расплава кристаллит с древовидным строением. Дендритный рост кристаллов реализуется в большинстве случаев, напр, при литье слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в… … Справочник технического переводчика
ДЕНДРИТ - ветвящийся отросток нервной клетки (нейрона), воспринимающий сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или непосредственно от внешних раздражителей. Проводит нервные импульсы к телу нейрона. Ср. Аксон … Большой Энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - ДЕНДРИТ, короткий разветвленный отросток нервной клетки (НЕЙРОНА). Он переносит импульсы внутрь клетки и передает импульсы другим нервным клеткам через короткие каналы, называемые СИНАПСАМИ. У одного нейрона может быть несколько дендритов … Научно-технический энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - [дэ], дендрита, муж. (от греч. dendron дерево). 1. Разветвляющийся отросток нервной клетки (анат.). 2. Кристаллическое образование древовидной формы (минер.). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ДЕНДРИТ - муж., греч. природное суковатое изображенье на камне, похожее на деревцо. Агат с деревцом, Дендритовый, дендритный, деревцовый; с дендритами, к ним относящийся. Дендролит муж. окаменелое дерево, адамова кость. Дендрология жен. часть ботаники и… … Толковый словарь Даля
ДЕНДРИТ - (от греч. dendron дерево), короткий ветвящийся цитоплазматич. отросток нейрона (дл. до 700 мкм), проводящий нервные импульсы к телу нейрона (перикариону). От тела большинства нейронов отходит неск. Д., ветви к рых локализуются около него. Д. не… … Биологический энциклопедический словарь
дендрит - а, м. dendrite f. <гр. dendron дерево. 1. Полудрагоценный камень, чаще разновидность халцедона, сердолик, сардер, агат или янтарь, структура которых создает внутри узор, подобный изображению деревца с ветвями. Отшлифованные дендриты благодаря… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
дендрит - dendrite Dendrit мінеральний аґреґат (іноді кристал) деревоподібної форми. Утворюється з розчинів, пари або розплавів при швидкій кристалізації речовини в тріщинах, в’язкому середовищі тощо … Гірничий енциклопедичний словник