顯微組織與織構

樹枝狀晶(dendrite)

/ DEN-drite /

大多數金屬與合金凝固時,並不是長成平滑的方塊——它們長成一棵棵小樹。樹枝狀晶(源自希臘文 dendron,樹)是凝固過程中形成的分枝、樹狀晶體:一根主幹先射出,側臂以規則間距從主幹冒出,更小的臂又從側臂冒出,全都共享同一個晶體取向。冷窗上的霜花就是冰的同一種現象。

樹枝狀晶之所以形成,是因為當固-液前緣前方的液體過冷時,平滑(平面)的前緣是不穩定的——任何小凸起都會伸進更冷的液體、凍得更快、於是往前竄,所以就長出手指狀並分枝。在合金中,這由組成過冷驅動:生長中的固體把溶質排入液體,降低了前緣前方的局部凝固點。主幹與側臂沿偏好的易生長晶體方向生長(對立方金屬是 <100> 方向),所以樹枝狀晶的幾何形狀就記錄了它的晶體取向。側臂之間的間距(枝晶臂間距)由冷卻速率決定——冷得越快,臂越細。

樹枝狀晶決定了鑄態組織及其品質的大部分。最後凝固、卡在臂間的液體富含溶質,所以鑄造合金出爐時化學上不均勻(微偏析,或稱偏析核),常須靠後續退火均質化;收縮孔洞也往往藏在臂間。每個凝固晶粒通常就是一個樹枝狀晶(或一群共享取向者),這把樹枝狀晶與鑄件的柱狀對等軸晶組織連在一起。誠實的提醒:樹枝狀晶是一種生長形貌,不是相、也不是晶體結構——內部的原子是一般的晶體;那樹狀外形只是那顆晶體長入過冷熔液的方式。

鋁鑄件的截面顯露出樹枝狀晶,主臂相距數十微米、更細的二次臂在其間;量二次臂間距(比方 30 微米)就揭示了局部冷卻速率,而臂間較暗、富溶質的區域則洩漏了後續均質化退火必須抹除的微偏析。

一顆樹狀的凝固晶體:主幹與側臂沿易生長晶體方向生長,富溶質的液體最後在臂間凝固。

樹枝狀晶是生長形貌,不是相——那樹狀區域是一顆普通的單晶。而且枝晶臂之間的成分與臂中心不同(微偏析),所以鑄態的樹枝狀組織在均質化之前化學上是不均勻的。

又称
dendritic crystal枝晶樹枝晶