Структура первичных кристаллов и эвтектик

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

А.В. Велищанский, В.Н. Симонов, Н.Ю. Кузнецова  

СТРУКТУРА  ПЕРВИЧНЫХ  КРИСТАЛЛОВ  
И ЭВТЕКТИК 

Методические указания к лабораторной работе  
 по курсу «Металлография» 

Под редакцией Н.М. Рыжова 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8 

УДК 548.5(076) 
ББК 22.37 
В272 

Рецензент Н.Н. Зубков 

Велищанский А.В., Симонов В.Н., Кузнецова Н.Ю. 
В272 
Структура первичных кристаллов и эвтектик: Метод.  
указания к лабораторной работе по курсу «Металлография»  
/ Под ред. Н.М. Рыжова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2008. – 12 с.: ил.  
 
Рассмотрены основные закономерности формирования первичных 
кристаллов и эвтектик. Описана лабораторная работа по 
изучению микроструктур первичных кристаллов и формированию 
первичных кристаллов из растворов. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «
Материаловедение в машиностроении». 

УДК 548.5(076) 
       ББК 22.37 
 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Первичными называются кристаллы, образующиеся из паровой 
фазы, растворов, расплавов. 

Структура однофазных сплавов 

Однофазные сплавы, широко используемые в технике, – это 
чистые металлы, однофазные латуни, бронзы, сплавы на алюминиевой, 
медной, титановой основе и т. д. Именно изучение однофазных 
сплавов (при кристаллизации из расплавов) позволило установить 
основные закономерности формирования структуры литых сплавов. 
Размер кристаллов. Основными факторами, определяющими 
размер первичных кристаллов, являются степень переохлаждения 
Т
Δ
 и наличие примесей, становящихся готовыми центрами кристаллизации 
при гетерогенном зарождении или поверхностно-
активными веществами, уменьшающими поверхностное натяжение 

ж-к
σ
 (т. е. на границе раздела расплав–кристалл). 
Способными к росту с уменьшением свободной энергии оказываются 
лишь кристаллы размером больше критического: 

 
р

кр
2
2
,
V

T
r
G
L T

σ
σ
=
=
Δ
Δ
 
(1) 

где σ  – поверхностное натяжение на границе кристалла с жидкостью; 

V
G
Δ
– уменьшение энергии единицы объема при переходе из 
жидкости в кристалл при действительной температуре кристаллизации 
Тк; Тр – равновесная температура, при которой происходит 
плавление или кристаллизация 
р
к
(
);
Т
Т
Т
Δ
=
−
 L – теплота плавле-

ния (кристаллизации). 
Образование зародыша кристаллического размера требует  
преодоления энергетического барьера – энергии активации про-

цесса кристаллизации Q, – связанного с необходимостью затраты 
энергии на образование поверхности раздела: 

 

(
)

2
3
p
3
2
2
16
16
.
3
3(
)
V

Т
Q
G
L Т

πσ
=
=
πσ
Δ
Δ
 
(2) 

Вероятность существования флуктуаций энергии Q в расплаве 
определяется выражением  

 
(
)
к
~ еxp
/
,
W
Q kТ
−
 
(3) 

где k – постоянная Больцмана. 
Выражения (1) – (3) определяют резкое увеличение числа образующихся 
зародышей, а следовательно, уменьшение размера кристаллов 
при увеличении степени переохлаждения и модифицировании. 
Степень переохлаждения увеличивается с ростом скорости 
охлаждения. Поэтому в широком интервале скоростей охлаждения 
справедлива следующая зависимость: чем больше скорость охлаждения 
при кристаллизации, тем меньше размер кристаллов. 
Форма внешних поверхностей растущих кристаллов. Равновесная 
форма первичных кристаллов – объемный многогранник, 
ограненный поверхностями с минимальной поверхностной энергией. 
Это плоскости с малыми кристаллографическими индексами 
и большой ретикулярной плотностью. Равновесная форма может 
образовываться при исключительно малой скорости охлаждения и 
на практике не встречается. Кроме того, форма кристаллов искажается 
при их сталкивании в процессе роста.  
Форма внешних поверхностей первичных кристаллов, плоских 
или округлых искривленных, определяется в первую очередь доминирующим 
механизмом роста кристаллов. 
Экспериментально установлено, что существует два механизма 
роста кристаллов: тангенциальный и нормальный. 
Тангенциальный рост предполагает образование на поверхности 
двумерных зародышей на базе фазовых флуктуаций, существующих 
в жидкости и достигших критического размера. Рост кристалла идет 
благодаря присоединению атомов к краям двумерного зародыша 
(такой процесс называют послойным ростом). Растущая грань остается 
плоской или ступенчатой. Тангенциальный рост характерен для 
веществ со сложной кристаллохимической природой и слоистым 
строением, когда в слоях реализуются сильные ковалентные связи, а 
между слоями – более слабые металлические. 

Типичный пример – цементит Fe3C. Он имеет ромбическую 
решетку, в которой связь ковалентно-металлическая (гетеродесми-
ческая), ковалентные связи локализуются вдоль плоскости (001) в 
направлении [010]. Этим объясняется рост цементита в виде плоских 
дендритных кристаллов со слоистым строением. 
Нормальный механизм роста предполагает присоединение отдельных 
атомов к растущей поверхности. Такое присоединение 
возможно на атомно-шероховатых поверхностях в случае, если 
при неполном их заселении свободная энергия понижается. 
Возможность нормального механизма роста кристаллов оценивается 
параметром :
α  

 
c

0
p
,
n
L
n
kT
α =
⋅
 
(4) 

где nc – число соседей в слое; n0 – координационное число; L – теплота 
плавления; Тр – равновесная температура кристаллизации. 
При малых значениях α  (1,0…2,5) нормальный механизм роста 
возможен. Это характерно для металлических кристаллов (малая 
энтропия плавления) и атомно-шероховатых поверхностей с 
большими индексами и малой ретикулярной плотностью. 
Нормальный механизм предполагает искривленную округлую 
форму растущих поверхностей. 
Форма внешних поверхностей растущих кристаллов зависит 
также от скорости охлаждения: увеличение степени переохлаждения 
приводит к переходу плоской огранки к округлым формам. 
Форма первичных кристаллов. Основные морфологические 
типы первичных кристаллов: полиэдр, дендрит, сферолит. В указанной 
последовательности меняется форма кристаллов с увеличением 
степени переохлаждения. 
Наиболее распространенная форма первичных кристаллов – 
дендритная. Переход от полиэдрической формы к дендритной определяется 
условием 

 
(
)
1
,
к
G
mC
кD
V
−
>
 
(5) 

где G – температурный градиент в жидкости перед растущим кристаллом; 
V – скорость кристаллизации; С – концентрация примеси 

или легирующего элемента; m – угловой коэффициент ликвидуса; 
к – коэффициент распределения примеси, 
ж
/
;
к
С
С
α
=
 D – коэффициент 
диффузии. 
Как показывает анализ формулы (5), при обычных на практике 
скоростях роста 10–4…10–6 см/с дендритная форма будет получаться 
уже при атомной доле примесей больше 0,05. 
Направление (кристаллографическое) ствола дендрита определяется 
анизотропией роста и для кубических кристаллов совпадает 
с осью [100], для тетрагональных – с осью [110], а для гексагональных – 
с осью [1010]. 
После формирования дендритного скелета происходит кристаллизация 
межосных пространств и формируется полновесный кристалл, 
дендритное строение которого проявляется благодаря дендритной 
ликвации. Анизотропия формы (отношение длины к диаметру 
поперечного сечения) зависит от анизотропии направлений теплоотвода. 
При направленном теплоотводе формируются вытянутые 
столбчатые кристаллы, всегда присутствующие в слитках. 
Форма первичных кристаллов может коренным образом измениться 
при введении поверхностно-активных веществ, адсорбирующихся 
избирательно на некоторых кристаллографических 
плоскостях, меняя скорость их роста. Наиболее известный пример – 
смена разветвленной пластинчатой формы графитных 
включений в серых чугунах на шаровидную в высокопрочных 
чугунах при модифицировании магнием. 

Структура эвтектических сплавов 

Кристаллизация эвтектического сплава состава C (см. рисунок) 
может начаться только при температуре ниже температуры эвтектической 
линии ЕСF, например при Т1. При этой температуре 
жидкость жа  концентрации, соответствующей точке а, пересыщена 
компонентом А (пересыщение пропорционально отрезку ав ) и 
компонентом В (пересыщение пропорционально отрезку ас ). 
Имеются условия и для зарождения и роста как 
-
α кристаллов, так 
и -
β кристаллов.  
Эти кристаллы могут зарождаться и расти одновременно, независимо 
друг от друга. В таком случае формируется грубая 
структура, называемая абнормальной эвтектикой, или грубым 
конгломератом. В металлических системах такая структура фор-

мируется весьма редко при очень малых скоростях охлаждения. 
Образование грубого конгломерата может быть следствием загрязнения (
например, присутствия Mo, W, P в чугунах), а также 
наслоения эвтектических кристаллов на структурно-свободные 
первичные. 
 

Эвтектическая кристаллизация сплава состава С 

Наиболее частый случай – парный рост кристаллов эвтектики. 
Одна из фаз эвтектики является ведущей и выпадает в первую 
очередь. Допустим, это фаза α . Выпадение α -кристаллов состава 
(
)
е
е α
 приводит к обогащению жидкости компонентом В  до концентрации, 
соответствующей точке .b  Создаются условия для выпадения 
-
кристаллов.
d
β
 Состав жидкости стремится к составу, 
соответствующему точке 
.
С  Таким образом 
ж
С  осциллирует 
внутри интервала c ↔ b. Идет реакция ж
.
a
е
d
→ α + β
 
Важным является тот факт, что первичные кристаллы эвтектической 
колонии разветвляются при нормальном росте, при этом 
образуются чередующиеся ответвления. 
Также существенно, что ведомая фаза кристаллизуется на ведущей 
фазе, как на подложке, формируя закономерный вид – 
структуру нормальной эвтектики. 

Таким образом, эвтектическая колония, или эвтектическое зерно, – 
это двухфазный агрегат, образовавшийся из одного центра кристаллизации 
ведущей фазы. Эти двухфазные агрегаты зерна могут быть  
двумя монокристаллами ведущей и ведомой фаз, монокристаллом  
ведущей и поликристаллом ведомой. Не исключен случай поликристаллического 
строения в одной колонии обеих фаз эвтектики. 
Эвтектики на микрошлифах могут иметь следующие виды: 
– структуры с регулярным расположением сечений кристаллитов 
в виде полос, многогранников, эллипсов с симметричным или 
несимметричным расположением; 
– структуры с центральной симметрией: скелетные, розеточные, 
спиральные; 
– структуры с нерегулярным неупорядоченным сечением фаз 
на шлифе – типа китайских иероглифов. 
Типичные микроструктуры эвтектик показаны на плакатах в 
лаборатории кафедры МТ-8. 

Кристаллизация из растворов 

Кристаллизация из растворов подчиняется тем же основным 
закономерностям, что и кристаллизация расплавов, однако роль 
степени переохлаждения δТ в этом случае играет степень пересыщения. 
Также могут формироваться ограненные или неограненные 
кристаллы, дендритные или неразветвленные, нормальные или 
абнормальные эвтектики и т. д. Особенность кристаллизации заключается 
в том, что поскольку испарение раствора (воды) идет с 
открытых поверхностей раствора, а его состав не успевает выравниваться 
по всему объему, то кристаллизация начинается по периферийной 
поверхности (например, по поверхности капли, как в 
данной работе) и форма и размер кристаллов неодинаковы по всему 
объему исходного раствора.  
Если каплю раствора нанести тонким слоем на подложку, то 
будут образовываться скелетные плоские дендритные кристаллы – 
как правило, монокристаллы, похожие на морозные узоры на оконном 
стекле. 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Для выполнения работы предоставляются следующие приборы 
и материалы: 
– микроскопы МИМ7, МБИ6, МИМ9, NU2, IPITIP, МБС10; 

– коллекция микрошлифов; 
– кристаллы кремния на подложке, осажденные из газовой 
фазы; 
– стекла и мерные палочки для нанесения капель растворов; 
– водные растворы солей: хромпика K2Cr2O7, хлористого аммония 
NH4Cl, азотнокислого свинца Pb(NO3)2. 
Порядок выполнения работы. Группа делится на две подгруппы, 
одна из которых начинает выполнение работы с изучения 
микроструктур коллекции микрошлифов, а другая – с изучения 
кристаллизации солей из растворов. 
Процесс кристаллизации из растворов изучается путем наблюдения 
за образованием кристаллов в капле раствора, нанесенной на 
стекло под микроскопом МБС10. 
Стекла перед нанесением капель растворов солей следует обезжирить 
спиртом и протереть чистой материей. Рекомендуется 
вначале нанести пробную маленькую каплю, по которой подобрать 
удобное увеличение и добиться яркого освещения. Среднее 
время кристаллизации 25–35 мин. 
В процессе кристаллизации следует отмечать место образования 
кристаллов в начале (образование первых кристаллов), в середине (
кристаллизация половины исходной капли) и в конце кристаллизации, 
их цвет, форму и тип огранки.  
Изучаемые соли и смеси имеют следующие формы и огранки:  
– для хромпика характерна пластинчатая форма кристаллов, их 
линейная огранка, группировки кристаллов формируют объемные 
дендриты;  
– для хлористого аммония характерна игольчатая форма кристаллов, 
линейная огранка, формирование плоских скелетных 
кристаллов;  
– для азотнокислого свинца характерна форма кристаллов в 
виде четырехгранных пирамид с округлой огранкой, формирование 
дендритов из упорядоченных кристаллов в виде четырехгран-
ных пирамид;  
– смесь хромпика и азотнокислого свинца формирует при 
кристаллизации нормальную эвтектику с ведущей фазой хромпика; 
– 
смесь хромпика и хлористого аммония формирует при кристаллизации 
грубый конгломерат. 
Микроструктуры следует рассматривать (и зарисовывать) при 
увеличении в 250–300 раз на микроскопах МИМ7. Микрострукту-

ры при меньшем и большем увеличениях рассматривают с помощью 
микроскопов МБИ6, МИМ9, NU2, IPITIP.  
Задание.  
1. Изучить микроструктуру коллекции микрошлифов сплавов. 
2. С помощью диаграмм состояния для изучаемых сплавов установить 
ожидаемую структуру.  
3. Дать развернутую характеристику всем структурным составляющим 
сплавов. 
4. Основываясь на характерных особенностях структурных составляющих, 
высказать предположение о доминирующем механизме 
роста и характере межатомных связей в кристаллах. 
5. Проанализировать влияние модифицирования на морфологию 
графита в чугунах и эвтектики в силуминах. 
6. Изучить строение кристаллов кремния, осажденных из газовой 
фазы по реакции 2SiCl2 → Si + SiCl4. 
Результаты изучения микроструктур занести в табл. 1. 
7. Изучить с помощью микроскопа МБС10 процессы кристаллизации 
солей хромпика K2Cr2O7, хлористого аммония NH4Cl, 
азотнокислого свинца Pb(NO3)2 и смесей солей K2Cr2O7 +  
+ Pb(NO3)2 и K2Cr2O7 + NH4Cl в пропорции 1:1. 
Результаты изучения кристаллизации занести в табл. 2. 

Таблица 1 

Микроструктура первичных кристаллов и эвтектик 

Номер 
шлифа 
Марка / 
Название 
Химический 
состав 
Микроструктура

Фазы, структурный 
состав
Характеристика 
структуры 

 
 
 
 
 
 

 

Таблица 2 

Кристаллизация солей из растворов 

Соль 
Стадия 
кристаллизации 

Место образования 
кристаллов 


Форма кристаллических 

образований 

Огранка кристаллических 

образований 

K2Cr2O7 
Начало 
Середина  
Конец