Фактори, що впливають на кінетику кристалізації і розмір зерен, впливають і на їх форму. В умовах близьких до рівноваги утворюються правильно ограновані кристали. Вони ростуть повільно, поверхня їх гладка, хоча і містить необхідні для забудови граней сходинки (рисунок 2.8).
Зі збільшенням ступеня переохолодження межфазная поверхня стає нерівною, на поверхні металу з'являється безліч осередків, середня частина яких кілька висувається в розплав (рисунок 2.8, б).
Малюнок 2.8. Форми росту кристалів в розплаві при кристалізації: а - плоский (огранений) кристал; б - стовпчастий пористий; в - дендритних: цифри у осей - відповідно, осі першого, другого і третього порядків
Поява пористої структури зв'язується з присутністю в розплаві і перерозподілом домішок. При наявності постійного тепловідведення від поверхні виливки в першу чергу кристалізуються найбільш чисті за змістом домішок ділянки рідкого металу, в зв'язку з чим спостерігається висунення фронту кристалізації в розплав. Обсяги рідкого металу, найбільш забруднені домішками відтісняються в що з'явилися впадинки на фронті кристалізації, тверднуть в останню чергу і утворюють кордону осередків. Вирощений в таких умовах кристал набуває столбчатую, витягнуту в напрямку тепловідводу форму, що нагадує в'язку олівців, бічні поверхні яких відповідають збагаченим домішками кордонів зерен.
При ще більшому збільшенні ступеня переохолодження, що досягається збільшенням тепловідведення від кристалізується рідини, виступи на міжфазній межі стають настільки великими, що рідина між виступами значно відстає за темпом затвердіння від виступаючих частин кристала. Настає так званий дендритних тип кристалізації.
Утворилися довгі виступи стають осями першого порядку. При виникненні на поверхні цих осей нерівностей (виступів) з'являються нові напрямки можливого зростання кристала, тобто осі другого, третього порядку і т.д. Кристал в процесі росту нагадує дерево в середовищі рідкого металу. Якщо забезпечити злив металу, що не закристаллизовавшегося до даного моменту часу, то можна отримати дендрит в чистому вигляді - ілюстрацію для вивчення дендритного росту кристалів (дендрит Чернова). Нашарування металу на утворилися осі першого, другого і т.д. порядків при подальшій кристалізації призводить до заповнення всього междендрітного простору і утворення суцільного кристала. Однак шари металу, що утворюють суцільний кристал, що з'явилися в різні моменти кристалізації відрізняються за змістом домішок. Осі формуються найбільш чистим металом, ділянки, закристалізуватися в междендрітном просторі в останню чергу. Останні найбільш сильно забруднені домішками.
Дендритних зростання кристалів пояснюється наступним чином. Найбільш стабільним кристалом, наприклад металу з ГЦК гратами, є кристал, утворений найбільш щільно упакованими площинами (111) .Такий кристал має форму октаедра (рисунок 2.9).
Грані октаедра володіють мінімальною вільною енергією. Вершини октаедра, як правило, володіють значною кількістю дефектів кристалічної будови, підвищеної вільної енергією. У зв'язку з цим вже на ранніх етапах росту октаедричні кристали відкидає шість відростків в трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Ці відростки перетворюються в осі першого порядку, відгалуження від яких утворюють осі другого, третього і т.д. порядків.
Малюнок 2.9. Початкові етапи дендритного росту кристалів: а - зростання вчиненого ограненного кристала у вигляді октаедра; б - утворення відростків (дендритних осей першого порядку)
Прискорене зростання виступаючих ділянок дендрита обумовлений декількома причинами:
1. Особливості упаковки атомів і переважне розташування виходів дефектів кристалічної будови на поверхні цих ділянок.
2. Виступаючі ділянки кристала стикаються з великим об'ємом рідини, що припадає на одиницю їх поверхні. За рахунок цього швидше розсіюється теплота кристалізації, що виділяється на фронті затвердіння. При цьому виявляється, що вістря стикається з більш охолодженим металом, ніж біля бічних поверхонь, в зв'язку з чим кристалізація виявляється більш вигідною у вістря.
3. Вплив домішок. Накопичуючись в рідкому металі у увігнутих ділянок кристала, домішка гальмує їх зростання. Зростання ж гострих виступів, що стикаються з розплавом вихідного складу, не затримується.