-
第二章
晶体缺陷
前
言
就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各
自的平衡位置，处
于能量最低状态。
然而在实际晶体中原子的排
列不可能这样规则和完整，
而是或
多或少地存在离开理想的区域
，
出现不完整性。
通常把这种偏离完整性的区域称
为晶体缺陷（
crystal defect; crystalline
imperfection)
。缺陷的产生是与
晶体的生成条件
、
晶体中原子的热运动、
对晶体进行的加工过程以及其它因素的
作用等有关。
但必须指出，
缺陷的存在
只是晶体中局部的破坏。
它只是一个很小
的量
< br>(
这指的是通常的情况
)
。例如
20℃时，
Cu
的空位浓度为
3.8×10
－
17
，
充分
退火后铁中的位错密度为
10
12
/m
2
。
所以
从占有原子百分数来说，
晶体中的缺陷在
数量上是微不足道的。
但是
，
在晶
体中缺陷并不是静止地、
稳定不变地存在着，
而是随着各种条件
的改变而不断变动的。
它们可以产生、
发展、
< br>运动和交互作用，
而且能合并消失。
晶体缺陷对晶体的许
多性能有很大的影响，
如电阻上升、
磁矫
顽力增大、扩散速率加快、抗腐蚀性能下降，特别对塑性、强度、扩散等有着决
定性的
作用。
20
世纪初，
X
射线衍射方法的应用为金属研究开辟了新天地，
使我们的认识
深入到原子的水平；到
30
< br>年代中期，泰勒与伯格斯等奠定了晶体位错理论的基
础；
50
年代以后，电子显微镜的使用将显微组织和晶体结构之间的空白区域填
补了起来，
成为研究晶体缺陷和探明金属实际结构的主要手段，
位错得到有力的
实验观测证实；
随即开展了大量的研
究工作，
澄清了金属塑性形变的微观机制和
强化效应的物理本质
。
1
按照晶体缺陷的几何形态以及相对于晶体的尺寸，
或其影响范围
的大小，
可
将其分为以下几类：
1.
点缺陷
(point
defects)
：
其特征是三个
方向的尺寸都很小，不超过几
个原子间距。如：空位
(vaca
ncy)
、间隙原子
(interstitial
atom)
和置换原子
(substitutional at
om)
。除此以外，还有空位，间隙原子以及这几类缺陷的复
合
体等均属于这一类。
这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点的原子跑到点阵
间隙中。
2.
线缺陷
（
linear
defects)
：
其特征是
缺陷在两个方向上尺寸很小
（与点缺陷相似）
，
而第三方向上的尺寸却很大，
甚者可以贯穿整
个晶体，属于这一类的主要是位错
(dislocation)(
如图所示）。
3.
面缺陷
(interfacial
defects)
：
其特
征是缺陷在一个方向上的尺寸很小（同点缺
陷），而其余两个方向上的尺寸
很大。晶体的外表面
(external
surfaces)
及各
2
种内界面如：一般晶界
(grain
boundaries)(
图
3
－
02
、图
3
－
03
）
、
孪晶界<
/p>
(twin
boundaries)
、亚晶界（
sub-
boundaries
）、相界
(phase boundar
ies)
及
层错
(stacking
faults)
等均属于这一类。
一、
点缺陷
晶体中的点缺陷（
point
def
ect
）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正
常结构的一种
缺陷，
它是最简单的晶体缺陷，
在三维空间各个方向上尺寸都很
小，
范围约为一个或几个原子尺度。
所有点缺陷的存在，
都破坏了原有原子间作用力
的平衡，造成临近原子偏离其平衡位置，发
生晶格畸变
(distortion
of
< br>lattice)
，
使晶格内能升高。
< br>
（一）
金属晶体中的点缺陷
金属晶体中常见
的点缺陷有空位
(vacancy)
、间隙原子
(interstitial
atom)
、置换原子
(sbustitutional
atom)
等。
晶体中位于晶格结点
上的原子并非静止不动的，
而是以其平衡位置为中心作
热运动。
当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，
跳出其所在的位置
，
使晶格中形成空结点，
称空位
。
脱位原子进入其他空位或迁
移至晶界或晶体表面所形成的空位叫
肖脱基
(Schottky)
空位
；
脱位原子挤入晶格
结点的间隙中所形成的空位
叫
弗兰克尔
(Frenkel)
空位<
/p>
，挤入间隙的原子叫
间隙
原子
；占据在原来晶格结点的异类原子叫
置换原子。
1
、空位
3
空位是一种热平衡缺陷
,
即在一定温度下
,
空位有一定的平衡浓度。
空位在晶
体中的位置不是固定不变的
,
而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位
置而形成的，脱离
平衡位置的原子大致有三个去处：
(1)
迁移到晶体表面上
,
这样所产生的空位
叫肖脱基空位；
(2)
迁移到晶
格的间隙中
,
这样所形成的空位叫
弗兰
克尔空位
；
(3)
< br>迁移到其他空位处
,
这样虽然不产生新的空位
,
但可以使空位变换位置。
2
、间隙原子
处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时
,
< br>也形成
一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子<
/p>
,
他们
都会造成严重的晶体畸变。
间隙原子也是一种热平衡缺陷，
在一定温度下有一平
< br>衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为
固溶度或溶解度。
3
、置换原子
<
/p>
占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。
由于原
子大小的
区别也会造成晶格畸变，
置换原子在一定温度下也有一
个平衡浓度值，
一般称之
为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子
的固溶度要大的多。
（二）
点缺陷的产生
1
、平衡点缺陷
(
equilibrium point
defect
）及其浓度
点缺陷都是
由于原子的热运动产生的，
它们的产生和存在使体系的自由能发
生一定的变化。
点缺陷的形成可处理为等温等容的过程，
因此，
体系自由能
(free
energy
)
为
Δ
F=
Δ
U-T
Δ
S;n
个内能
(internal energy)
为
u
的缺陷使系统内能
增加总量为
Δ
U=nu
.
由于点缺陷的存在使
体系混乱程度增大，大大增加了系统的
熵值。
4
平衡点缺陷数目：
n
e
/N=C
e
=Aexp(-
u/kT)
Ce:
某种类型点缺陷的平衡浓度；
N
：晶体的原子总数；
A
：材料常数，其值常取
1
；
T
：体系所处的热力学温度；
K
：波尔兹曼常数，约为
8.62
×
10-5ev/K
或
1.38
×
10-23J/K
U
：该种点缺陷的形成能。
2
、过饱和点缺陷
(supersatura
ted point defect)
的产生
在点缺陷的平衡浓度下晶体的自由能最低，
系统最稳定。
当在一定的温度下，
晶体中点缺陷的数目明显超过其平衡浓度时，
这些点缺陷称为过饱和点缺陷，
通
常
它的产生方式有三种
:
淬火
(quenching)
冷加工
(cold working)
辐照
(radiation)
（
1
）
.
淬火
高温时晶体中的空位浓度很高，经过淬火后
，空位来不及通过
扩散达到平衡浓度，在低温下仍保持了较高的空位浓度。
（
2
）
< br>.
冷加工
金属在室温下进行压
力加工时，由于位错交割所形成的割阶
发生攀移，从而使金属晶体内空位浓度增加。
5
（
3
）
.
辐照
当金属受到高能粒子（中子、质子、氘核、
α
粒子、电子等）
辐照时，
晶体中的原子
将被击出，
挤入晶格间隙中，
由于被击出的原子具有很高
的能量，因此还有可能发生连锁作用，在晶体中形成大量的空位和间隙原子。
< br>
（三）点缺陷对晶体材料性能的影响
一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，如比容
(specific <
/p>
volume)
、
比热容
(specific heat volume)
、电阻率
(resistivity)
、扩散系数、介电常数
等。<
/p>
1.
比容
<
/p>
形成
Schottky
空位时，
原子迁移到晶体表面上的新位置，
导致晶体
体积
增加。
2.
比热容
形成点缺陷需向晶体提供附加的能量
(
空位生成焓
)
，因而引起附
加比热容。
3.
电阻率
金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况下，电
子基本上在均匀电场中运
动，
在有缺陷的晶体中，
晶格的周期性被破坏，
电场急
剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。
点缺陷对金属力学性能的影响较小，
它只通过与
位错的交互作用，
阻碍位错
运动而使晶体强化。
但在高能粒子辐照的情形下，
由于形成大量的点缺陷而能引
起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。
6
二、
晶体中的线缺陷—位错
晶体的线缺陷
表现为各种类型的位错（
dislocation
），其在三维
空间两个
方向上尺寸很小，
另外一个方向上延伸较长。
它不像点缺陷那样容易被人接受和
理解，
人们是
从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在着位错。
位错对晶体
的强度与断裂等力学性能起着决定性的作用。
同时，
位错对晶
体的扩散与相变等
过程也有一定的影响。
2.1
位错理论的提出
位错理论是在对晶体强度作了一系列的理论计算，
发现与实际强度有很大差
别的基础上提出来的。
(1)
从断裂表面能求晶体的强度
假设晶体在拉伸应力下，发生断裂。在断裂时，储藏在固体
中
的弹性能转变为断裂时形成两个新表面的表面能，则
1
?
d
?
2
?
2
d
a
式中
σ
为断裂时的拉伸应力，
d
为两分子间距
a
在断裂时所伸长的长
?
?
?
E
?
E<
/p>
度，
γ
为表面能。
按虎克定律
（
E
为弹性摸量）代
入上式得：
?
?
2
?
a
E
7
一般
a
约
为
3
×
10
-
8
cm
，
E
约
为
10000N/mm2
，
γ
约为
10
-4
J/cm
2
。计
算结果
σ
---10000N/mm
2
，比实
际强度大
100---1000
倍。
(2)
从晶体的刚性模型计算理论强度
1926
年
Frenkel
从刚体模型出发，
对晶体的屈服强度进行计
算。首先假设，原子在晶体中的排列是理想的，相邻两层原子稳
定位
置如图
2-1
所示。若它们在切应力的作用下沿
X
方向发生刚
性的相对位移，又假设应力和位移量
X
为正弦波关系。图
2-2
表
示应力与位移之间的关系和势能与位移之间的关系。
图
2-1
切应力作用下原子层的位移
8
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