Наш окружающий мир – удивительная микровселенная, в которой случаются множество интересных процессов. Ежедневно мы сталкиваемся с настоящим волшебством, о котором мы редко задумываемся. Взять, например, образование инея на окне или снежинок. Это является отличной иллюстрацией роста дендритных кристаллов, считающихся одним из самых распространенных и удивительных процессов в природе. В материаловедении дендриты – это кристаллы, которые имеют типичную древовидную форму с множеством ветвей. Они образуют естественный фрактальный узор.
Как образуются дендриты?
Кристаллизация – это естественный процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов и других веществ. Для ее проведения должен существовать градиент концентрации от перенасыщенного значения в растворе до концентрации, находящейся в равновесии с кристаллом на поверхности. При этом любая выпуклость, которая развивается, сопровождается более крутыми градиентами концентрации на ее вершине. Это увеличивает скорость диффузии к наконечнику. Огромную роль играет и поверхностное натяжение, которое стремится сгладить выступ и создать поток растворенных атомов из выступа в сторону. Этот процесс является регулярный и происходит до тех пор, пока не получится дендритная форма.
Дендритный кристалл напоминает собой неоднородную форму, которая характеризуется замысловатыми ветвящимися структурами древовидной породы. Они похожи на ствол дерева с ветками, которые расходятся в разные стороны. Дендритные кристаллы обладают гексагональной симметрией и имеют тенденцию развиваться, когда кристалл растет путем осаждения из паровой фазы при температурах в пределах -15°С и при условии насыщения, близких к переохлажденной воде.
Как дендриты образуются в металлах?
Дендритные кристаллы окружают нас повсюду. Множество вещей, которыми мы пользуемся каждый день, сделаны из металлов и сплавов, взять, например, строительные материалы, оружие или мину. Но все они в начале создания проходят этап жидкого или расплавленного состояния с последующей заморозкой. Просмотрев под микроскоп, можно заметить, что свежеотвердевший металлический сплав имеет не однородную структуру, а состоит из множества маленьких ячеек. Это и есть дендриты.
Особенностью образования дендритов является то, что они будут расти и разветвляться до тех пор, пока боковые грани не срастутся друг с другом и между ними не закончится место. Это регулярный и повторяющийся процесс, который происходит с огромной скоростью. Практически все свежеокристаллизированные сплавы состоят из миллионов дендритных кристаллов. Кроме этого, такие факторы, как дендритная форма, размер и скорость их роста напрямую влияют на конечные свойства литых и сварных металлов. Вот несколько примеров свойств:
- твердость и мягкость металла;
- поддается ли он растяжению или упругости;
- как долго и в каких условиях можно использовать сплав;
- обладает ли металл хорошей электропроводностью;
- насколько легко можно сварить между собой разные куски металла.
Таким образом, дендритные узоры – это не просто красивые снежинки или рисунки на окне зимой. Строение дендритов уникально и интересно, но, кроме этого, оно оказывает сильное влияние на механические, электрические, химические свойства металлов.
