background image

1/10 

Archives of Foundry, 
Ye ar 2003, Volume 3, № 10 
Archiwum Odlewnictwa, 
Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308 

 
 

OCENA  FRAKTALNA  POWIERZCHNI  KRZEPNIĘCIA 

 
 

M. MAREK

1

 

Politechnika  Częstochowska 

Instytut Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn 

ul. Dąbrowskiego 73,  42-201  Częstochowa, Polska

 

 
 

STRESZCZENIE 
 

Artykuł  dotyczy  możliwości  zastosowania  geometrii  fraktalnej  do  opisu 

powierzchni  krzepnięcia.  Głównym  przedmiotem  badań  są  struktury  dendrytyczne  – 
zwrócono  uwagę  na  ich  samopodobieńs two  i  oszacowano  wymiar  fraktalny  na 
wybranym przykładzie.   
 
Keywords: fractal, dendrite, solidification, surface 
 
1. WSTĘP 
 

Od  czasu  ukazania  się  książki  B.  Mandelbrota  „The  Fractal  Geometry  of  Nature” 

(„Fraktalna  geometria  natury”)  [1]  pojęcie  fraktala  zrobiło  zawrotną  karierę  w  wielu 
dziedzinach  nauki,  a  nawet  sztuki.  Nieczęsto  zdarza  się  by  jakaś  koncepcja 
matematyczna  spotkała  się  z  tak  szerokim  oddźwiękiem.  Wydaje  się,  że  główną  tego 
przyczyną  jest uderzające podobieństwo niektórych fraktali do kształtów pojawiających 
się  w  naturze  –  roślin,  linii  brzegowych,  meandrów  rzecznych  czy  struktur 
dendrytycznych.  Niniejszy  artykuł  jest  próbą  ukazania możliwości zastosowania metod 
geometrii  fraktalnej  do opisu powierzchni krzepnięcia. 
 
2. DENDRYTY 
 

Po  utworzeniu  zarodków  krystalizacji  dalszy  wzrost  kryształu  i  jego  struktura 

uzależnione  są  od  stabilności  uformowanej  powierzchni  rozdziału  ciecz-ciało  stałe.  

                                        

1

 

mgr inż., macmar@imipkm.pcz.czest.pl

 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 

18 

W  przypadku,  gdy  niewielkie  zaburzenia  powierzchni  (powstałe  na  skutek  np. 
nierozpuszczonych    domieszek,  fluktuuacji  temperatury, granicy ziarn) zostają z czasem 
zredukowane  poprzez  proces  jej wzrostu, uważa się ją za stabilną. Bardzo często zdarza 
się  jednak,  że  powierzchnia  krzepnięcia  traci  stabilność  i  każde  jej  zaburzenie  jest 
dodatkowym  bodźcem do jej rozbudowy. Dzieje się tak, gdy kierunek wzrostu kryształu 
pokrywa  się  z  kierunkiem  odpływu  ciepła  (gradientu  temperatury).  Kryształ  przybiera 
wtedy  złożoną,  drzewopodobną  formę  nazywaną  dendrytem.

 

Struktura  dendrytu 

podyktowana  jest  głównie  kierunkiem  gradientu  temperatury oraz anizotropią kryształu 
wynikającą  z  uprzywilejowania  określonych  osi  krystalograficznych  (np.  (100)  dla 
metali  regularnych).  Rozgałęzienia  boczne  powstają  ze  względu  na  utratę  stabilności 
przez  powierzchnię  pnia dendrytu [2, 3]. 

Rysunek  1  przestawia  schematycznie  kolejne  etapy  wzrostu  dendrytu  [4]  –  od 

powstania pnia, po pojawienie  się rozgałęzień  coraz to wyższych rzędów. 
 

Rys. 1. Wzrost dendrytu: A – pień główny; B- pojawienie się odgałęzień 

pierwszego rzędu; C – wzrost odgałęzień drugiego  rzędu 

Fig. 1. Growth of dendrite: A – trunk; B – appearence of branches of first  

order; C- growth of branches of second order 

 

Jeśli  porównamy  struktury  powstałe  w  następujących  po  sobie etapach, możemy 

zauważyć  szczególnego  rodzaju  własność:  istnieje  część  dendrytu,  która  po 
odpowiednim  przeskalowaniu  jest  bardzo  podobna do kształtu dendrytu w poprzednim 
etapie  –  np.  odgałęzienia boczne z etapu B po przeskalowaniu są zbliżone kształtem do 
pnia  dendrytu,  zaś  zaznaczona  część  z  etapu  C    –  do  kształtu  z etapu B. Własność tą 
nazywamy  samopodobieństwem  (część dendrytu podobna jest całości) i jest ona jedną  
z  podstawowych  cech  charakteryzujących  matematyczne  obiekty  nazywane  fraktalami. 
W  przypadku  dendrytu  nie  można  oczywiście  mówić  o  podobieństwie  w  śc isłym, 
geometrycznym  sensie,  ale  przekonamy  się,  że  nawet  w  tym  przypadku  geometria 
fraktalna  dostarcza narzędzi  do opisu obiektów o rozważanej  własności. 

Fraktale  określa  się  jako  obiekty  geometryczne,  których  wymiar  Hausdorffa  jest 

różny  od  wymiaru  topologicznego  [5].  Ponieważ  wymiar  Hausdorffa  jest  zazwyczaj 
trudny  do  wyznaczenia,  w  praktyce  stosuje  się  inne  miary,  jak  np.  wymiar pudełkowy 
lub wymiar  korelacyjny  (nazywane po prostu wymiarami  fraktalnymi).   

Mówiąc  krótko  –  wymiar  pudełkowy  określa  zależność  między  najmniejszą  liczbą 

N(

)  figur  o  liniowym  rozmiarze 

,  które  pokrywają  dany  obiekt,  a  ich  rozmiarem.  Ze 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 

19 

względu  na  prostotę  implementacji  zwykle  pokrywa  się  kwadratami  (lub  w  trzech 
wymiarach  –  sześcianami  -  stąd  nazwa  „wymiar  pudełkowy”).  Wtedy  jako 

  należy 

rozmieć  długość boku kwadratu (krawędzi  sześcianu). 

W  przypadku  obiektów  samopodobnych  zależność  ta  określona  jest  prostym 

prawem  potęgowym: 

 
gdzie  c  jest  pewną  stałą,  a  d

ƒ

  poszukiwanym  wymiarem  pudełkowym.  Jeśli 

zlogartymujemy  obie strony, to otrzymamy: 

 
z  czego  widać,  że  przedstawienie  na  wykresie  zależności  między  log  N(

)  a  log 

 

prowadzi  do  linii prostej o współczynniku kierunkowym równym (z dokładnością co do 
znaku)  wymiarowi  pudełkowemu.  Jest  to  najczęściej  spotykana  metoda  wyznaczenia  
tego wymiaru. 

Procedura  postępowania  dla  dowolnych  figur  na  płaszczyźnie  może  być 

następująca („box counting method”, zobacz np. [8]): 
1.  pokrywamy  obraz jednorodną siatką kwadratową (wymiar  oczka  - 

1

); 

2.  zliczamy  oczka  sieci  mające  niepustą  część  wspólną  z  b adaną  figurą  –  oznaczmy 

wynik  przez  N(

1

); 

3.  zagęszczamy  siatkę przez  zmniejszenie  wymiarów  oczek do 

2

<

1;

 

4.  postępujemy jak w pkt.2 otrzymując  N(

2

5.  powtarzamy  czynność  z  pkt.3  i  4  otrzymując  N(

i

)  dla  coraz  to  gęstszych  siatek  

o rozmiarach  oczek 

i

6.  wykreślamy  zależność  log  N(

i

)  od  log 

i

  -  otrzymanie  linii  prostej  świadczy  

o samopodobieństwie badanej figury, a współczynnik kierunkowy tej prostej równy 
jest jej  wymiarowi  pudełkowemu; 

Dla  zwykłych  figur  geometrycznych  takich  jak  odcinek,  kwadrat,  wymiar  fraktalny 
pokrywa  się  z  wymiarem  topologicznym  (odpowiednio  d

ƒ 

=1,  d

ƒ

  =2)  i  dlatego,  mimo 

ich samopodobieństwa, nie uważa się ich za  fraktale. 

Spróbujmy  przykładowo  wyznaczyć  wymiar  fraktalny  struktury  dendrytycznej 

wziętej  z literatury [3]. 
 
  
  

f

d

c

N

)

(

log

log

)

(

log

f

d

c

N

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 

20 

 

 

Rys. 2. Część dendrytu [3] i jego  kontur pokryty siatką kwadratową 
Fig. 2. Part of dendrite [3] and its contour covered by square grid 

 

Rys. 3. Wykres zależności log N(

) od log 

 aproksymowany  

linią prostą o nachyleniu –1.34 

Fig. 3. Log-log  plot of N(

) dependence approximated by straight  

line (slope –1.34) 

 

Wykres  otrzymany  dla konturu przekroju dendrytu z rys. 2 ukazany jest na rys. 3, 

dla  takiego  zakresu  zmian 

,  w  którym  można  z  dobrą  dokładnością  (współczynnik 

korelacji  ok.0.99)  dokonać  aproksymacji  linią  prostą o nachyleniu –1.34. Oznacza to, że 
w  tym  zakresie  mian 

,  kontur  dendrytu  jest  obiektem  samopodobnym  o  wymiarze 

fraktalnym  1.34.  Z  kolei  dla  bardzo  małych  wartości 

 własności konturu są takie same 

jak  gładkiej  krzywej  o  wymiarze  1  (stąd  wynika  zmniejszenie  nachylenia  wykresu  
w części początkowej). 

Bisang  i  Bilgram  [6]  użyli  tej  samej  metody  do  wyznaczenia  wymiaru  fraktalnego 

konturu  dendrytu  ksenonu.  Wykres zależności logarytmu N(

) od logarytmu 

 dla tego 

konturu  można  z  dobrym  przybliżeniem  aproksymować  linią  prostą  o  nachyleniu  –1.4, 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 

21 

zatem  w  zakresie  dwóch  rzędów  wielkości  w 

  możemy  dany  kontur  uznać za fraktal o 

wymiarze  d

ƒ

 

1.4. 

Wymiar  korelacyjny  (w  wielu  przypadkach  równy  wymiarowi  pudełkowemu) 

otrzymuje  się badając własności skalowania funkcji  korelacji  [7]: 

gdzie  H(x)  jest  funkcją  Heaviside’a  (równa  1  dla  x

0,  zaś  0  dla  x<0),  zaś  punkty  x

i

,  x

j

 

należą  do  zbioru  wybranych  m  punktów  konturu  (równomiernie  rozmieszczonych). 
Funkcję  korelacji  można  rozumieć  jako  stosunek  liczby  par  punktów  odd alonych 
wzajemnie  o  nie  więcej  niż  r  do  liczby  wszystkich  par  punktów.  Jak  pokazał 
Grassberger: 

 
gdzie 

 jest wymiarem  korelacyjnym. 

Punkty  na  wykresie  C(r)  w  skali  logarytmicznej  (log  C(r) 

 

  log  r)  z  dobrą 

dokładnością  układają  się  na linii prostej, a jej nachylenie jest równe (w granicy błędu) 
wartości otrzymanej  dla wymiaru  pudełkowego. 

Badania  Bisanga  i  Bilgrama  [6]  wykazały,  że  wymiar  fraktalny  jest  jednym  z  tych 

integralnych  parametrów  dendrytu,  które  zachowują  swoje  wartości  w  różnych 
realizacjach  eksperymentalnych  przy  tych  samych  warunkach  zewnętrznych  (w 
przeciwieństwie  np.  do  długości  i  odstępie  między  gałęziami  dendrytu),  a  nawet  przy 
różnych  przechłodzeniach  i  rozmiarach  dendrytu  (po  krótkim  okresie  początkowego 
wzrostu).  Średni  wymiar  fraktalny  dla  różnych  wartości  przechłodzenia  to  d

ƒ

 

=1.42

0.05. 

Modelem  wzrostu  dendrytycznego  może  być  jeden  z  klasycznych  fraktali  – 

krzywa  von  Kocha  (rys.  4)[5,8],  przy  czym  podstawową  cechą  którą  on  akcentuje jest 
nie zmiana  rozmiarów,  a pojawianie  się rozgałęzień  wyższych rzędów. 

Krzywa  von  Kocha  jest tzw. deterministycznym fraktalem  – samopodobieństwo w 

jej  przypadku  jest  dokładne  –  granica  ciągu  konstrukcji  z  rys.4  rozpada  się  na  cztery 
trzykrotnie  pomniejszone kopie całości, a jej  wymiar  fraktalny d

ƒ

 =log(4)/log(3)

1.26. 

 

Rys. 4. Pierwsze trzy etapy konstrukcji krzywej von Kocha 
Fig. 4. First three steps of construction of van Koch curve

 

 

|)

|

(

lim

)

(

1

,

2

j

m

j

i

i

m

x

x

r

H

m

r

C

r

r

C

)

(

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 

22 

4. ZAKOŃCZENIE 
 

Główną  korzyścią  z  zastosowania  geometrii  fraktalnej  w  procesach  krzepnięcia 

jest  możliwość  dogodnego  opisu  powstających  struktur,  takich  jak  dendryty  czy 
nierówne  powierzchnie.  Ujęcie  fraktalne  pozwala  nie  tylko  scharakteryzować  je 
jakościowo (poprzez własność samopodobieństwa), ale również ilościowo  – wprowadza 
parametry  odnoszące  się  do  obiektu  jako  całości,  daje  możliwość  łatwej  klasyfikacji 
oraz oceny wpływu czynników  zewnętrznych na jego morfologię. 
 
 
LITERATURA 
 
[1] 

Mandelbrot  B.B.:  The  Fractal  Geometry  of  Nature.  New  York,  W.H.Fredman 
and Comp.,1983;   

[2] 

Kurz  W.,  Fisher  D.J.:  Fundamentals  of  Solidifcation.  Trans  Tech., 
Aedermannsdorf, 1986; 

[3] 

Fraś E.:  Krystalizacja metali. WNT, Warszawa,  2003; 

[4] 

Guy A.G.:  Wprowadzenie do nauk i o materiałach. PWN, Warszawa, 1977; 

[5] 

Kudrewicz  J.: Frak tale i chaos. WNT, Warszawa, 1996; 

[6] 

Bisang  U.,  Bilgram  J.H.:  The  fractal  dimension  of  xenon  dendrites.  J.  Cryst. 
Growth  166  (1966)  207-211; 

[7] 

Grassberger P., Procaccia I.,  Phys. Rev. Lett. 50 (1983)  346; 

[8] 

Peitgen H.-O,  Jurgens H.,  Saupe D.:  Granice chaosu – frak tale. PWN, 
Warszawa 1997; 

 

 

FRACTAL  ESTIMATION  OF  SOLIDIFICATION  SURFACE 

 
SUMMARY 
 

Article deals with possibility of describing solidification surface using methods 

of  fractal  geometry.  The  main  subject  of  interest  are  dendritic  structures  –  their  self-
similarity  is pointed out and fractal dimension of  selected dendrite is estimated. 
 
 
 

Recenzował  dr hab. Jan Szajnar