1.2.4 晶体缺陷
前面介绍晶体结构时，为了说明晶体结构的周期性和方向性，把晶体处理成了完美无缺的理想状态。在实际晶体中，由于各种因素的影响，总会存在一些不完整、原子排列偏离理想状态的区域，这些区域统称为晶体缺陷。晶体缺陷的存在并不影响晶体结构的基本特性，仅是晶体中少数原子的排列特征发生了改变。相对于晶体结构的周期性和方向性而言，晶体缺陷更为活跃，它的状态容易受到外界条件（如温度、载荷、辐射等）影响而变化，它们的数量与分布对材料的行为起着十分重要的作用。
按晶体缺陷几何形态进行分类，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1.2.4.1 点缺陷
点缺陷是在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子三大类，如图1-18所示。
空位就是没有原子的阵点。空位是热力学上稳定的缺陷，即晶体中都会或多或少地存在空位。空位的多少用单位体积内的空位数与单位体积阵点数之比表示，称为空位浓度。空位浓度随温度升高呈指数增大，核辐射和塑性变形也增加空位浓度。
间隙原子就是处在点阵间隙位置的原子。由于间隙的空间位置比较小，通常小于阵点上原子直径的0.414倍，只有小于或略大于该尺寸的小原子能进入间隙位置，在钢中有价值的间隙原子只有C和N两种。
置换原子就是处在阵点上的异类原子。绝对的“纯金属”几乎是不存在的，都会或多或少地存在一些异类原子，大多数异类原子以置换原子的形式存在于晶体中。为了改善纯金属的性能，往往要加入一些合金元素，这些合金元素一部分或全部以置换原子的形式存在，也可能以化合物的形式存在。
图1-18 点缺陷
间隙原子和置换原子的多少通常用质量分数表示。
点缺陷的存在增加了体系的能量，这是尽量少出现点缺陷的因素，但也增加了体系的熵，这是增加点缺陷的因素，因而，在体系中往往存在一定浓度的点缺陷。
（1-12）
式中，Cs是点缺陷浓度；A是材料常数，其数值常取作1；u为点缺陷形成能；k是玻尔兹曼常数，约为8.62×10-5eV/K；T为体系所处的热力学温度。
晶体中的点缺陷处在不断的运动状态。当空位周围原子的热振动动能超过一定数值时，就可能脱离原来的结点位置跳跃到空位，正是靠这一机制，空位不断发生迁移，同时伴随原子的反向迁移。温度越高，迁移速度越快。间隙原子也在晶体的间隙中不断运动。空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内在原因，原子的扩散就是依靠空位运动而实现的。在常温下由点缺陷的运动而引起的扩散效应可以忽略不计，但是在高温下原子热振动能显著升高，因此发生迁移的概率也明显增大，再加上高温下空位浓度的增大，因此高温下原子的扩散速度是非常可观的。材料加工工艺中不少过程都是以扩散为基础的，例如改变表面成分的化学热处理、扩散退火、时效处理、表面氧化以及烧结等过程都与原子的扩散过程相关。
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了畸变，金属的电阻率、屈服强度增大。屈服强度与点缺陷浓度近似成正比关系，即点缺陷浓度越大强度越高。但是，在室温下间隙原子和置换原子（统称为溶质原子）的饱和浓度往往是比较小的。溶质原子在金属液体中的溶解度很大，多数可以达到无限互溶，固态下，如果超过了固体中的饱和浓度，多出的溶质原子到哪去了呢？一是形成了过饱和固溶体，二是形成了新相。这些问题将在第3章中介绍。
从式（1-12）中看出，随温度升高，点缺陷浓度增大，随温度降低，点缺陷浓度减小。可以利用这一特性在高温下获得高浓度的点缺陷，然后迅速冷却到室温获得过饱和的点缺陷。过饱和点缺陷在加热后有脱溶沉淀形成新相的可能性。这一原理的应用就形成了提高材料强度的固溶处理和时效处理的热处理工艺。
1.2.4.2 线缺陷
线缺陷是指在二维尺度上都很小，另一维尺度上很大的缺陷，这类缺陷通常称为位错线，简称位错。如图1-19所示，位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移所致，已滑移区和未滑移区的交界线即为位错线，即图1-19中的EF线，用l表示。滑移量的大小和方向用柏氏矢量b表示，如果位错线L⊥b，则称为刃型位错［图1-19（a）］，如果位错线l∥b，则称为螺型位错［图1-19（b）］，l与b之间既不平行也不垂直的称为混合位错，由l和b确定的平面称为滑移面，b的方向称为位错滑移方向，一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系。
在图1-19（a）中，在切应力作用下晶体上、下两部分沿ABC平面产生了大小为b的滑移，在晶体内多出了半个原子平面（EFGH），EF线是刃型位错，ABC平面是滑移面，b称为柏氏矢量。刃型位错的特征是柏氏矢量垂直于位错线，位错运动的方向与柏氏矢量方向一致。
在图1-19（b）中，在切应力作用下晶体上、下两部分沿ABCD平面产生了大小为b的滑移，EF线是螺型位错。螺型位错的特征是柏氏矢量平行于位错线，位错运动的方向与柏氏矢量方向垂直。
无论是刃型位错还是螺型位错，柏氏矢量方向都平行于使位错运动的切应力方向，所以，当分析位错运动时，必须计算沿柏氏矢量方向上的切应力，其计算方法将在“2.2.2 金属单晶体的塑性变形”中介绍。
图1-19 位错晶格模型
1.2.4.3 面缺陷
面缺陷是指两个维度尺寸很大而在另一个维度上尺寸很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要是指晶界、亚晶界和相界等。
图1-20（a）显示了相邻三个晶粒原子排列的平面图，实际上，在晶界附近原子会偏离其平衡位置，没有图上排列的那样规则，这就增加了能量，这种新增加的能量称为晶界能。由于晶界能的存在，使晶界尽量成为平面并且晶粒会自发长大，这样可以减少晶界面积。因为晶界能量高，容易腐蚀，多晶体经抛光腐蚀后容易看到晶界，如图1-20（b）所示。
图1-20 晶界上原子排列和工业纯铁的金相组织
每个晶粒可以看作是一个单晶体，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。在一个晶粒内，由于位错的存在，尤其当位错按一定规律排列时，也会造成晶体在不同区域上有微小的位向差，这样形成的界面叫亚晶界，即晶粒内存在的界面。如图1-21所示的亚晶界是由刃型位错沿一条线排列而形成的。
图1-21 倾斜晶界（亚晶界）形成的模型
1.2.4.4 晶体缺陷与材料行为
在1.1.2节介绍结合能时指出，原子处在平衡位置时，结合能最小。在晶体中，阵点位置就是平衡位置，而所有的晶体缺陷都在不同程度上使原子偏离了平衡位置，因而能量都有所增大。从热力学角度考虑，自然界的一切运动过程总是从能量高的向能量低的方向自发运动。但是，所有晶体缺陷的存在都会在不同程度上增加排列熵，熵增加的过程也是自发过程。结合上述两个因素，在材料中存在一定的晶体缺陷也是必然的。这就是说，得到无晶体缺陷的理想晶体几乎是不可能的。例如，制备单晶体和非晶体都是不容易的事情，前者可认为是晶粒非常大的晶体，而后者是“晶粒”非常小的“晶体”（只有短程有序无长程有序）。关于缺陷的运动规律可以总结如下：
①过饱和空位向刃型位错、亚晶界、晶界、材料表面运动或聚集在一起然后形成位错环而消失。
②过饱和溶质原子向位错、亚晶界、晶界偏聚或形成富含溶质原子的新相而达到平衡状态。
③位错在运动过程中发生相互抵消而消失，位错缠结形成亚晶界或运动到晶界、材料表面而消失。
④晶界从曲面变成平面，晶粒不断长大而减少晶界面积。
晶体缺陷对材料的力学性能有很大影响，能提高强度和硬度，详细机理将在第2章介绍。
知识巩固1-5
1.若整个晶体完全是由晶胞规则重复排列的，这种晶体称为_________。
（a） 理想晶体 （b）单晶体 （c）多晶体 （d） 完整晶体
2.实际晶体中总会存在不完整的、原子排列偏离理想状态的区域，这些区域统称为_________。
（a）不完整晶体 （b）晶体缺陷 （c）非理想晶体 （d）非晶体
3.晶体缺陷按几何形态分为三类，即_________。
（a）空位、线缺陷和晶界 （b）置换原子、位错和亚晶界
（c）点缺陷、线缺陷和面缺陷 （d）理想晶体
4._________就是没有原子的阵点。
（a）置换原子 （b）空位 （c）间隙原子 （d）交点
5.由许多位向不同的单晶体组成的晶体叫作_________。
（a）单晶体 （b）晶粒 （c）多晶体 （d）非晶体
6.晶粒之间的界面称为_________。
（a）亚晶界 （b）晶界 （c）曲面 （d） 小角度晶界
7.位于晶体间隙中的原子称为_________。
（a）置换原子 （b）杂质原子 （c）间隙原子 （d）小直径原子
8.处在结点上的异类原子称为_________。
（a）置换原子 （b）杂质原子 （c）间隙原子
9.在二维尺度上都很小，另一维尺度上很大的缺陷称为_________。
（a）亚晶界 （b）位错 （c）晶界 （d） 空位
10.材料中存在的晶体缺陷越多，材料的性能越差。（ ）
11.随温度降低，平衡的点缺陷浓度降低。（ ）
12.过饱和空位可以向刃型位错、亚晶界、晶界、材料表面运动或聚集在一起然后形成位错环而消失。（ ）
13.处在间隙中的碳原子更倾向于向位错附近运动而产生偏聚现象。（ ）
14.不可能得到过饱和溶质原子。（ ）
15.晶粒越大，单位体积内面缺陷数量越少，材料的强度越高。（ ）