Дендрит (металл)

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  Металл "Дендрит"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( декабрь 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Кристалл серебра, очищенный электролитическим способом, с видимыми дендритными структурами.

Кристалл чистой меди с дендритной структурой, изготовленный электролитическим способом.

Дендритная кристаллизация после плавления внутри запаянных ампул из металлического рубидия и цезия.

Дендриты в металлургии является характерной древовидной структурой кристаллов , растущих в расплавленном металле затвердевает, форма производства более быстрого ростом вдоль энергетически выгодные кристаллографических направления. Этот рост дендритов имеет большие последствия в отношении свойств материала.

Дендриты образуются в унарных (однокомпонентных) системах, а также в многокомпонентных системах. Требование состоит в том, чтобы жидкость (расплавленный материал) была переохлажденной, иначе говоря , переохлажденной , ниже точки замерзания твердого вещества. Вначале в переохлажденном расплаве растет твердый сферический зародыш. По мере роста сферы ее сферическая морфология становится нестабильной, а ее форма искажается. Сплошная форма начинает выражать предпочтительные направления роста кристалла. Это направление роста может быть связанно с анизотропией в поверхностной энергии твердого тела-жидкости интерфейса, или к легкости прилипания атомов к интерфейсу на разных кристаллографических плоскостях, или оба (для примера последних, см бункера кристалла). В металлических системах кинетика присоединения к границе раздела обычно незначительна (для немаловажных случаев см. Дендрит (кристалл) ). В металлических системах твердое тело затем пытается минимизировать площадь поверхностей с наибольшей поверхностной энергией. Таким образом, по мере роста дендрит становится все острее и острее. Если анизотропия достаточно велика, дендрит может иметь фасеточную морфологию. Масштаб длины микроструктуры определяется взаимодействием или балансом между поверхностной энергией и градиентом температуры (который управляет диффузией тепла / растворенного вещества) в жидкости на границе раздела. ^[1]

По мере затвердевания все большее количество атомов теряет свою кинетическую энергию, что делает процесс экзотермическим. Для чистого материала скрытая теплота выделяется на границе раздела твердое тело – жидкость, так что температура остается постоянной, пока расплав полностью не затвердеет. Скорость роста образовавшегося кристаллического вещества будет зависеть от того, как быстро это скрытое тепло может быть отведено. Дендрит, растущий в недостаточно охлажденном расплаве, можно представить как параболический игольчатый кристалл, который растет с сохранением формы с постоянной скоростью. Зарождение и рост определяют размер зерна при равноосном затвердевании, в то время как конкуренция между соседними дендритами определяет первичный интервал при столбчатом росте. Как правило, если расплав охлаждают медленно, зарождение новых кристаллов будет меньше, чем в больших количествах.переохлаждение . Рост дендритов приведет к образованию дендритов большого размера. И наоборот, быстрый цикл охлаждения с большим переохлаждением увеличит количество ядер и, таким образом, уменьшит размер образующихся дендритов (и часто приведет к образованию мелких зерен).

Меньшие дендриты обычно приводят к более высокой пластичности продукта. Одним из применений, в которых можно увидеть рост дендритов и полученные в результате свойства материала, является процесс сварки . Дендриты также часто встречаются в литых изделиях, где они могут стать видимыми при травлении полированного образца.

По мере того, как дендриты превращаются в жидкий металл, они нагреваются, потому что продолжают отводить тепло. Если они станут слишком горячими, они переплавятся. Этот переплавление дендритов называется рекалесценцией. Дендриты обычно образуются в неравновесных условиях.

Применение роста дендритов при направленной кристаллизации - это лопатки газотурбинного двигателя, которые используются при высоких температурах и должны выдерживать высокие напряжения по главным осям. При высоких температурах границы зерен слабее зерен. Чтобы минимизировать влияние на свойства, границы зерен выравниваются параллельно дендритам. Первым сплавом, использованным в этой заявке, был сплав на основе никеля (MAR M-200) с 12,5% вольфрама, который накапливался в дендритах во время затвердевания. В результате были получены лопатки с высокой прочностью и сопротивлением ползучести, простирающиеся по длине отливки, что дало улучшенные свойства по сравнению с аналогом, полученным традиционным литьем. ^[2]

Вычислительное моделирование [ править ]

Фазовое поле моделирования дендритного затвердевания чистого материала с использованием модели, разработанной Кобаяши с шестикратной анизотропией. Белая область представляет твердое тело, а синяя область - жидкость .${\ Displaystyle (\ phi = 1)}$${\ Displaystyle (\ phi = 0)}$

Первая вычислительная модель затвердевания дендритов была опубликована Кобаяши ^[3], который использовал модель фазового поля для решения двух связанных уравнений в частных производных, описывающих эволюцию фазового поля ( в жидкой фазе и в твердой фазе). , и температурное поле, для чистого материала в двух измерениях:${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle \ phi = 0}$${\ displaystyle \ phi = 1}$${\ displaystyle T}$

${\ displaystyle \ tau {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial t}} = - {\ frac {\ partial} {\ partial x}} \ left (\ epsilon {\ frac {\ partial \ epsilon} { \ partial \ theta}} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial y}} \ right) + {\ frac {\ partial} {\ partial y}} \ left (\ epsilon {\ frac {\ partial \ epsilon} {\ partial \ theta}} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial x}} \ right) + \ nabla \ cdot \ left (\ epsilon ^ {2} \ nabla \ phi \ right) + \ фи (1- \ phi) \ left (\ phi - {\ frac {1} {2}} + m + a \ chi \ right)}$

которое представляет собой уравнение Аллена-Кана с коэффициентом энергии анизотропного градиента:

${\displaystyle \epsilon (\theta )={\bar {\epsilon }}\left[1+\delta \cos(j\theta )\right]}$

где - среднее значение , - угол между нормалью границы раздела и осью x, и - константы, представляющие силу и режим анизотропии, соответственно.${\displaystyle {\bar {\epsilon }}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \delta }$${\displaystyle j}$

Параметр описывает термодинамическую движущую силу затвердевания, которую Кобаяши определяет для переохлажденного расплава как:${\displaystyle m}$

${\displaystyle m(T)={\frac {\alpha }{\pi }}\tan ^{-1}\left[\gamma (T_{e}-T)\right]}$

где - константа от 0 до 1, - положительная константа, - безразмерная равновесная температура. Температура была безразмерна, так что равновесная температура равна, а начальная температура переохлажденного расплава равна . ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle T_{e}}$${\displaystyle T_{e}=1}$${\displaystyle T=0}$

Уравнение эволюции температурного поля имеет вид

${\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}=\nabla ^{2}T+K{\frac {\partial \phi }{\partial t}}}$

и представляет собой просто уравнение теплопроводности с исходным членом из-за выделения скрытой теплоты при затвердевании, где - константа, представляющая скрытую теплоту, нормированную на силу охлаждения.${\displaystyle K}$

Когда эта система эволюционирует численно, случайный шум, представляющий тепловые флуктуации, вводится в интерфейс через член, где - величина шума, а - случайное число, равномерно распределенное .${\displaystyle a\chi }$${\displaystyle a}$${\displaystyle \chi }$${\displaystyle [-0.5,0.5]}$

См. Также [ править ]

• Дерево Дианы
• Whisker (металлургия)

Ссылки [ править ]