晶体缺陷：分类及重要性分析

实际金属的晶体结构不像理想晶体那样规则和完整。由于各种因素的作用，晶体中不可避免地存在着许多不完整的部位，这些部位称为晶体缺陷。根据几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。

在金属中偏离规则排列位置的原子数目很少，至多占原子总数的千分之一，所以实际金属材料的结构还是接近完整的。但是尽管数量少，这些晶体缺陷却对金属的塑性变形、强度、断裂等起着决定性作用，并且还在金属的固态相变、扩散等过程中起重要作用。

因此，晶体缺陷的分析研究具有重要理论和实际意义。

（一）点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷，亦称为零维缺陷。点缺陷主要有空位、间隙原子、置换原子三种，如图2-6所示。

图2-6　晶体中的点缺陷

1.空位

晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空节点，称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动等）脱离其晶格节点将产生此类点缺陷。这些点缺陷的存在会使其周围的晶格产生畸变。

2.间隙原子

在晶格节点以外存在的原子，称为间隙原子。在金属的晶体结构中都存在着间隙，一些尺寸较小的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。

3.置换原子

杂质元素占据金属晶格的节点位置称为置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。

点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲（称为晶格畸变），从而引起性能变化，使金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。(www.zuozong.com)

（二）线缺陷

线缺陷是指晶体内沿某一条线附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺陷区。其特征是：二维尺度很小，而第三维尺度很大，亦称为一维缺陷。位错就是一种最重要的线缺陷。位错在晶体的塑性变形、断裂、强度等一系列结构敏感性的问题中均起着主要的作用，位错理论是材料强化的重要理论。

位错是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，如图2-7所示为常见的一种刃型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好像在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了畸变。

图2-7　刃型外错立体图

金属晶体中的位错很多，相互连接成网状分布。位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示，通常在104～1012cm/cm3范围内。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。

（三）面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷，亦称二维缺陷，包括晶界和亚晶界。如前所述，晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折中位置上（如图2-8所示）。另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成的，称为亚晶粒，尺寸为10-6～10-4cm。亚晶粒的交界称为亚晶界（如图2-9所示）。

图2-8　晶界示意图

图2-9　亚晶界示意图

面缺陷是晶体中不稳定区域，原子处于较高能量状态，它能提高材料的强度和塑性。细化晶粒，增大晶界总面积是强化晶体材料力学性能的有效手段。同时，它对晶体的性能及许多过程均有极重要的作用。

晶体缺陷在晶体的塑性、强度、扩散以及其他的结构敏感性问题中起着主要的作用。近年来对晶体缺陷的理论和实验的研究，进展非常快。还需指出，上述缺陷都存在于晶体的周期性结构之中，它们都不能取消晶体的点阵结构。我们既要注意晶体点阵结构的特点，又要注意到其非完整性的一面，才能对晶体结构有一个比较全面的认识。