Форма образующихся в расплаве кристаллов зависит от условий роста (перегрева и переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей и др.) и природы металла. В условиях, близких к равновесию, образуются правильно ограненные кристаллы. Они растут медленно, поверхность их гладкая, хотя и содержит необходимые для застройки граней ступеньки. Если примесей мало и температура жидкости повышается с удалением от поверхности кристалла выдвинувшийся вперед в силу тех или иных причин участок вступает в область с более высокой температурой и рост замедляется. В этих условиях преимущественное развитие получают грани с наиболее плотной упаковкой атомов, имеющие минимальную поверхностную энергию. В направлении, перпендикулярном к менее плотноупакованной грани, рост происходит быстрее, вследствие чего она выклинивается и кристалл приобретает равновесную форму, характеризующуюся минимумом термодинамического потенциала. В таком кристалле грани удалены от центра на расстояния, пропорциональные их межфазному поверхностному натяжению.
Согласно правилу Гиббса—Кюри—Вульфа
γ1/h1= γ2/h2= γ3/h3…,
где h — расстояние грани от центра кристалла;
у — поверхностное натяжение.
Таким образом, равновесной формой кристалла является полиэдрическая: грани пересекаются в вершинах и ребрах, которые, по данным Л. Д. Ландау, слегка закруглены. При ускорении охлаждения наряду с плотноупакованными возникают грани с менее плотной упаковкой, образуются дендритные, пластинчатые и игольчатые кристаллы. Создаются и сферокристаллы, составленные из тонких радиально направленных иголок. В этих случаях форма кристалла далека от равновесной.
Формы роста связаны со строением фронта кристаллизации. Поверхность раздела кристалла и жидкости особенно чувствительна к переохлаждению и содержанию примесей. Из относи тельно гладкой, с невысокими ступенями межфазная поверхность с увеличением переохлаждения жидкости становится неровной, морщинистой. На поверхности кристалла обнаруживается множество ячеек, средняя часть которых слегка выдвигается при росте в расплав, а края отстают. Появление ячеистой структуры связано с примесями, имеющимися в технических металлах. Достаточно 0,01 % примеси, чтобы возникла ячеистая структура. Если примесь мало растворима в кристалле, она накапливается в жидкости перед фронтом кристаллизации, попадая затем на границы ячеек.
При охлаждении через затвердевший металл кристалл приобретает столбчатую, вытянутую в направлении теплоотвода форму. В поперечном сечении таких кристаллов видны ячейки, стенки которых в продольном сечении выглядят как тонкие параллельные линии. Выращенный в этих условиях кристалл напоминает связку карандашей, боковые поверхности которых соответствуют обогащенным примесями границам ячеек. Средний поперечник ячеек (d) зависит от скорости роста кристалла (Up) и температурного градиента в жидкости (ΔT):
d~1∕ Up ΔT.
