Чем вызвана дендритная форма кристаллов
Чем вызвана дендритная форма кристаллов
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.
Рисунок 1. Истинный дендрит.
Дендрит является монокристаллом (т.е. одним кристаллом). Схема формирования дендрита 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».
 |  |
| Сплав АЛ25 | Сплав АК12 |
Рисунок 3. Дендриты в алюминиевые сплавах: дендриты алюминиевого твердого раствора и эвтектика Al-Si.
 |  |
| Аустенитный чугун ЧН15Д7 | Доэвтектический чугун |
Рисунок 4. Дендриты в чугуне.
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.
 |  |
| Сталь | Кислородная медь |
 |  |
| Доэвтектический чугун | Оксидная система на основе Ni-Ti |
 | |
| Заэвтектический силумин, литье «в землю» | |
 |  |
| Заэвтектический силумин, литье в кокиль | «Звездочка» кремния в заэвтектическом силумине |
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).
 |  |
| Легированный силумин | Феррито-перлитный чугун |
 |  |
| Баббит | Система Ni-Ti-O |
Рисунок 8. Характерные дендриты в различных сплавах.
Можно было бы спросить: зачем так много о дендритах?
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 |
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.
Рисунок 11. Дендриты льда на поверхности плитки, на которой все падают.
 |  |
| а | б |
Рисунок 13. Дендриты бихромата калия на образце бериллиевой бронзы БрБ2.
Чем вызвана дендритная форма кристаллов
Морфология и онтогения минералов: дендриты и дендритные агрегаты
Дендритные формы роста кристаллов и сферолитов, агрегаты дендритов
Дендрит самородной меди, 14 см. Из трещины в медистом кварците зоны окисления. Покрыт тонкой корочкой малахита и атакамита.
Месторождение Джезказган, Центр. Казахстан. Фото: © В.А. Слётов
Дендрит самородной меди, 14 см., в плёнке малахита и атакамита. Из трещины в медистом кварците, Джезказган, Центр. Казахстан. Фото: © В.А. Слётов
Самородное золото: вытянутый, слегка деформированный скелетный кристалл 5 см., одна из ветвей дендритного агрегата.
Калифорния, США (Eagle’s Nest Mine / Mystery Wind Mine, Placer County, California). Фото: Robert Lavinsky
Дендриты гётита в слое агата (халцедоне), ширина поля
2 см. Бразилия. Фото: © В. Слётов
Дендриты окислов марганца в халцедоне («кахолонге»). Микрофото, поле 5 и 2см. Прибалхашье. Фото 1 и 2: © В.А. Слётов
Дендриты окислов марганца в трещине яшмы
Плоские дендриты гидроксидов железа в кварце, развивающиеся внутри трещины.
Геологический музей им. А.А. Штукенберга, Казанский ун-т. Фото: © А. Евсеев
Сфероидолитовые дендриты малахита, срез 10,5 х 6 см. Каменушинское м-ние, Кемеровская обл., Россия. Источник: rusmineral.ru
Сфероидолитовые дендриты малахита, обросшие зональной сферолитовой корой. Срез 11 x 15 см. ДР Конго. Фото: Look
Малахит. Колония сфероидолитовых дендритов 7.4 x 5 см. Катанга, ДР Конго (L’Etoile du Congo Mine (Star of the Congo Mine; Kalukuluku Mine), Lubumbashi). Фото: Rob Lavinsky
Барит. Агрегат сфероидолитовых дендритов, срез более 10 см. Кремиковцы, Болгария. Национальный музей «Земля и люди», София. Фото: А. Евсеев
Тодорокит, сфероидолитовый дендрит на поверхности гётита. Бакальское м-ние, Ю. Урал. Фото: Тимофей Пашко, образец из коллекции В. Слётова
Сфероидолитовые дендриты касситерита. 4,3 х 3,8 см. Англия (Cligga Head, Perranzabuloe, St Agnes District, Cornwall). Образец из коллекции Steve Pullman, источник: www.danweinrich.com
Ветвящиеся сфероидолитовые дендриты барита из полости в лимоните, поле 2 см. Керченское месторождение, Крым.
Чем вызвана дендритная форма кристаллов
Как только на рынке появились первые лампочки, они имели цоколь е27, они и сегодня пользуется очень большим спросом. Это стандартизация мирового масштаба, практически в.
Строительная сфера очень развита, сегодня можно увидеть объекты только на подготовленных сухих площадках, но и на воде. Обратите внимание на современный порт, большая.
Компания ООО «ВЫБОР СВЕТА» поставляет светодиодные светильники из Санкт-Петербурга. Основной целью компании является мелкооптовая и оптовая торговля светодиодной.
Для обработки земли, ухода за разными растениями аграрии часто используют полногабаритную технику (трактора), а также средства малой. Используется эта техника также в.
Антифриз – специальная охлаждающая смесь. В автомобиле ее заливают в систему охлаждения мотора. От двигателя лишнюю тепловую энергию жидкость отводит при циркуляции.
Компания занимается утилизацией бытового хлама, скопившегося в старых квартирах и домах. При сборе мусора совершается сортировка битого стекла, пластика, кирпичной.
Строение ПВХ мембран основано на армирующей сетке, соединяющей 2 слоя полимера.
Создавая ту или иную инженерную систему следует обращать внимание на детали. Мелкие детали чаще всего становятся причиной серьезных проблем.
Кристаллы-деревья
На фото — не отпечатки древних растений, а кристаллы пиролюзита в зольнхофенском известняке (масштабная шкала внизу фото дана в миллиметрах). Такие формы кристаллов из-за их сходства с настоящими деревьями называются дендритами, от греческого δένδρον — «дерево». Иногда их и правда принимают за отпечатки растений.
Пиролюзит MnO2 чаще всего встречается в виде скрытокристаллических агрегатов (то есть таких, в которых кристаллы неразличимы глазом), напоминающих почки, сажу или землю — такие формы выделений так и называются: почковидные, сажистые или землистые. Этот черный минерал с металлическим блеском образует осадочные месторождения марганца и имеет промышленное значение. В месторождениях он встречается вместе с другими марганцевыми и железистыми оксидами и гидроксидами — гаусманитом, манганитом, браунитом, псиломеланом, лимонитом.
Различные формы пиролюзита: a — тонкоигольчатые кристаллы, b — скрытокристаллическая почковидная форма. Фото с сайта mindat.org
В виде дендритов пиролюзит встречается нечасто: для их образования нужны специфические условия. Дендритные формы кристаллов являются разновидностью скелетных кристаллов (см. картинку дня Скелетная шпинель), которые расщепились в процессе роста на отдельные ветви. Расщепление происходит, как правило, в стесненных условиях и/или при неравномерном процессе кристаллизации — например, при резком падении температуры раствора или когда питающий раствор негомогенный. Рост кристалла начинается с зародыша — центра кристаллизации. Если параметры раствора (температура, давление, концентрация соединений) со временем не меняются или меняются слабо, то будет образовываться кристалл правильной формы. Однако если один или несколько параметров меняются быстро, образование зародышей тоже будет происходить быстрее, и они будут слипаться между собой. Поступление вещества (диффузия) к растущим зародышам становится еще более неравномерным, и, как следствие, образуются характерные ветвящиеся формы. Направление роста «веточек» происходит в сторону наиболее интенсивного массопереноса — то есть по направлению поступления питающего раствора. Сам процесс образования дендрита принято называть дендритовым ростом.
Дендриты пиролюзита (черного цвета) в зольнхофенском известняке. Фото с сайта commons.wikimedia.org. О других находках в зольнхофенском известняке см. новость Птерозавры-рамфоринхи охотились на головоногих моллюсков юрского периода и картинку дня Загадочные тилакоцефалы с большими глазами
Дендриты бывают двухмерными и трехмерными. Двухмерные дендриты вырастают на поверхности тонких трещин горных пород. Трехмерные дендриты растут в открытых пустотах горных пород. Так, рост кристаллов пиролюзита с главного фото происходил в трещине известняка, по которой проходил раствор, обогащенный марганцем.
Двухмерные (a, b, c) и трехмерные (d, e, f) дендриты. a — дендриты гётита в слое агата; b — дендриты гидроксидов железа в кварце, развивающиеся внутри трещины; c — дендриты окислов марганца в халцедоне; d — самородное золото; e — дендрит самородной меди; f — дендрит самородной меди из трещины в медистом кварците, покрыт тонкой корочкой малахита и атакамита. Фото a–d, f — c сайта mindraw.web.ru, e — с сайта museum.ru
Дендриты образуются не только в природе, но и в литейном производстве. Размер дендритных кристаллов является важным фактором, определяющим свойства литых сплавов. Например, если расплав охлаждать медленно, то и новые дендриты будут образовываться медленно, и в итоге они будут крупнее. И наоборот, если охлаждение будет быстрым, количество дендритов будет больше, а их итоговый размер меньше. Чем мельче дендриты, тем лучше механические и технологические свойства у готовой продукции, но полностью избавиться от дендритов сложно.
Первым обратил внимание на дендриты в сталях российский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Он всесторонне исследовал систему железо–углерод и заложил основы металлографии. В честь него был назван один из самых крупных металлических дендритов, обнаруженных при выплавке металла, — кристалл Чернова: его высота 39 см, а масса — 3,45 кг.
Кристалл Чернова. Фото © Владимир Коробицын с сайта zvezdaweekly.ru
Ввиду того, что дендриты напрямую влияют на свойства получаемых сплавов, изучение дендритного роста важно для промышленности. В 1990-х годах НАСА провел эксперимент по изучению роста дендритов в невесомости. В земных условиях, из-за наличия гравитации, в растворе или расплаве возникают участки с неравномерной концентрацией элементов и, как следствие, с неравномерной диффузией вещества к растущим граням. То есть дендриты растут в неоднородной среде. Чтобы избежать влияния гравитации, сотрудники НАСА спроектировали прибор с дистанционным управлением, позволяющий контролировать ход эксперимента с Земли (при этом сам аппарат находился на орбите). В качестве модельных веществ в первых двух экспериментах выступал динитрил янтарной кислоты, в третьем — пивалиновая кислота (см. Pivalic acid). Динитрил янтарной кислоты использовался в качестве аналога черных металлов (железа и сплавов на его основе, марганца, хрома, ванадия), пивалиновая кислота — аналога цветных металлов (меди, свинца, олова, алюминия, титана и других). Благодаря эксперименту была получена информация о формах вершин дендритных кристаллов и влиянии условий охлаждения на их рост, что важно для теории роста кристаллов.
Однако с дендритным ростом исследователи столкнулись гораздо раньше. Соединения, способные кристаллизоваться в виде «деревьев», были известны еще средневековым алхимикам. Наиболее известны Дерево Дианы (см. Diana’s Tree) и Дерево Сатурна. В первоначальных рецептах слабую азотную кислоту смешивали с ртутью, серебром (Дерево Дианы) или свинцом (Дерево Сатурна; Сатурн — алхимическое название свинца). В получившемся растворе происходила кристаллизация амальгамы в форме дерева. Такие «деревья» настолько впечатляли средневековых алхимиков, что они верили в существование «живых» кристаллов.
Рост кристаллов происходит на затравке из амальгамы серебра и ртути. В качестве раствора — азотная кислота с растворенными в ней ртутью и серебром
Опыты с деревьями не потеряли своей актуальности до сих пор. Проводились, например, эксперименты с медью и водным раствором нитрата серебра: растворы смешивали и фиксировали процесс роста в них дендритов. Такая постановка эксперимента во многом напоминает опыты, которые ставили средневековые алхимики.
Дерево Дианы. Кристаллизация амальгамы серебра в воде. Фото с сайта pinterest.ru
Но, наверное, самая распространенная форма дендритов — это кристаллы льда на оконных стеклах. Появление дендритов льда напрямую зависит от условий охлаждения. В интервале температур от 0 до минус 6°C на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда, и дендриты не образуются. Но если охлаждение поверхности стекла начинается при положительной температуре и высокой относительной влажности, то на его поверхности вначале отлагается пленка воды, которая уже при понижении температуры кристаллизуется в виде дендритов.
Дендриты льда на оконном стекле. Фото © Gary Lane с сайта wapitisriversedge.wordpress.com
В качестве центров кристаллизации выступают дефекты поверхности стекла — микроскопические царапины, сколы, трещины. При этом форма дендритов в верхней и в нижней части стекла отличается: внизу, где под действием силы тяжести скапливается больше воды, дендриты, как правило, больше. В верхней части стекла, где пленка воды меньше, дендриты, соответственно, тоньше.
Дендриты
Термин этот давнего происхождения, Вернер упоминал «дендритные формы» минералов еще в 1774 г. На внесении необходимой однозначности в употреблении терминов «скелет» и «дендрит» и уточнении их содержания настаивал Д.П. Григорьев.
В качестве примера кристаллодендритов можно привести ледяные узоры на оконном стекле, живописные окислы марганца в тонких трещинах, самородную медь в зонах окосления рудных месторождений, дендриты самородных серебра и золота, решетчатые дендриты самородного висмута и ряда сульфидов. Сфероидолитовые дендриты известны для малахита, гроздевидного тодорокита, барита и др. минералов, к ним следует отнести также кораллитовые агрегаты кальцита в карстовых пещерах.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются, в случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует расщеплению субиндивидов с переходом кристаллических дендритов в сферокристаллические, либо отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации и дендриты растут островками.