Рост стальных дендритов

Режим роста кристалла, т. е. направление движения фронта затвердевания, зависит от величины переохлаждения, образуемого фронтом затвердевания. Когда состав переохлаждения увеличивается с нуля и от малого к большему, фронт затвердевания будет развиваться от гладкого и неорганизованного состояния к клеточному, дендритному и эндофитному росту. В реальных условиях затвердевания стальных слитков в течение большей части периода затвердевания фронт затвердевания нарастает в дендритном или эндогенном состоянии, приобретая в конечном итоге кристаллическую структуру дендритных кристаллов. Кристаллы всегда контактируют с жидкой фазой на поверхности с наиболее близким расположением атомов, чтобы минимизировать поверхностную энергию. Гранецентрированная кубическая решетка Для Fe плоскость плотной упаковки представляет собой плоскость {111}, поэтому кристалл, который начинает выпадать в осадок, имеет форму октаэдра. По мере развития кристаллизации, поскольку фракционная кристаллизация образует обогащенный раствором слой на фронте затвердевания, кристалл будет расти из вершины октаэдра, части с меньшей концентрацией растворенного вещества на поверхности, вдоль направления [111], образуя первичная ось (ствол) дендрита. Затем первичная ось растет и утолщается преимущественно по краю октаэдра — нижней части концентрации растворенного вещества. При дальнейшем увеличении переохлаждения состава на поверхности первичной оси на кристаллографическом дефекте первичной оси будет образовываться вторичная ось вторичного дендрита, перпендикулярная первичной оси. Впоследствии возможно образование третичных дендритов, четвертичных дендритов и т. д., при этом каждый стержень кристалла постоянно становится толще и производит дендриты более высокого порядка, пока они не встретятся друг с другом. Наконец, весь дендрит заполняется между ветвями, образуя зерно.
В соответствии с различными методами выращивания можно получить три различные формы дендритов:
(1) Столбчатые кристаллы. Только основная ось в одном направлении дает заметные дендритные кристаллы. Эта основная ось называется шпинделем. При переохлаждении композиции столбчатые кристаллы получаются за счет дендритного роста, а вторичные дендриты не развиваются, как у стержневидных кристаллов. По мере увеличения переохлаждения состава постепенно развиваются дендриты высших порядков столбчатых кристаллов.
(2) Равноосный кристалл. Дендритные кристаллы с относительно равномерным развитием во всех направлениях. Равноосные кристаллы образуются только при эндогенном росте.
(3) Зернистые кристаллы. Неразвитые дендритные кристаллы, также известные как сферолиты. Гранулированные продукты можно увидеть только в центре нагрева стальных слитков и отливок, когда интенсивность тепловыделения крайне мала.