晶体缺陷概述

晶体缺陷概述

高康

（中南大学材料科学与工程学院长沙）

摘要晶体缺陷在材料科学中具有重要的理论和实践意义，本文概述了晶体缺陷的主要类型，包括空位、位错和界面等，以及它们的存在方式、运动、相互作用和实际应用等。

关键词晶体缺陷空位位错界面运动自由能

1 引言

在实际晶体中，原子排列并不都是规则和完整的，而是在某些区域存在着紊乱和不规则的排列，这些区域被统称为“晶体缺陷”。

通常，晶体缺陷可以分为三大类：点缺陷，属于零维缺陷，比如空位、间隙原子和异类原子等；线缺陷，属于一维缺陷，主要是位错；面缺陷，属于二维缺陷，比如晶界、相界、层错和表面等。

晶体缺陷在材料科学中具有重要意义，是材料设计和加工工艺的重要理论来源。

2点缺陷概述

在点缺陷中，最为普遍存在的是空位。空位可以根据形式方式分为两类，一种是Schottky 空位，这种空位是由于脱位原子进入其他空位或逐渐迁移至晶界或表面而形成的；另一种是Frenkel空位，这种空位是由于原来处于这个位置的原子挤入结点的空隙而形成间隙原子形成的。

空位是由于原子的热运动产生的，根据统计热力学原理，空位的浓度主要取决于温度，并且在一定的温度下存在着一定的平衡空位浓度。所谓的平衡空位浓度是指，在该浓度下，体系自由能是最低的。平衡空位浓度可以表示为Cv=A·exp（-u/k/T），其中A是材料常数，k是玻尔兹曼常数，T是体系的热力学温度，u是空位形成能。

空位不是静止不动的而是可以借助热激活产生迁移的，空位迁移的实质是周围原子的逆向运动，这种运动需要克服一个“势垒”，即空位迁移能。空位的迁移在实际应用中具有重大意义，晶体中原子的扩散过程与空位迁移有着千丝万缕的关系，空位机制是扩散微观机制中最为重要的一种，尤其是在置换固溶体的互扩散过程中，Kirkendall效应证明了这一点。在材料加工工艺过程中，如均匀化处理、化学热处理、时效等都与扩散有着紧密联系，提高工艺处理温度可以大幅度加快这些过程的速率，也正是基于空位浓度和迁移速度随温度上升而升高的规律。在高温下，空位的存在及其运动是晶体发生高温蠕变的重要原因之一。

3线缺陷概述

在线缺陷中，最普遍存在的事位错，基本类型是刃型位错和螺型位错，实际位错往往是两种位错的混合，称为混合位错。刃型位错是由一个多余半原子平面形成的线缺陷，其柏氏矢量垂直于位错线，形状可以是直线、折线和曲线；螺型位错是原子错排呈轴对称的一种线缺陷，其柏氏矢量平行于位错线，形状只能是直线。

位错线周围的原子偏离了平衡位置，点阵发生畸变，此畸变能的增量称为位错应变能。位错还会与周围的晶体缺陷发生交互作用：点缺陷在晶体中会引起点阵畸变，产生的应力场可与位错产生交互作用，通常把溶质原子与位错交互作用后，围绕位错而形成的溶质原子聚

集物，称为“科垂耳气团”，气团会阻碍位错运动，产生固溶强化效应，这一理论可解释合金中出现应变时效和屈服现象；位错运动过程中可能遇到晶界、孪晶界、相界等面缺陷障碍物而产生“塞积”现象，形成一个塞积群，塞积群有如下特点：被塞积的位错群都是同号的刃型位错，位错之间相互排斥；整个位错塞积群对位错源有一个反作用力，塞积群所含有地位错数目越多，反作用力则越大；整个塞积群挤在障碍物处，障碍物会受到很大的挤压力，当这个力大到一定值时，就会把障碍物“冲垮”，这意味着晶体要开始变形。

4面缺陷概述

在面缺陷中，最为重要的是界面和表面。通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面（Surface），将凝聚相与凝聚相之间的分界面称为界面（Interface）。

表面原子一侧没有固体原子与之键合，有较高能量几个原子层厚，与周围气相或液相接触的面结构、性能与晶体内部不相同。晶体表面原子与周围原子键合数减少，多余的未结合的键使内能增加，即为增加单位表面积所作的功。表面原子结合键不饱和，但可以通过吸附达到平衡状态，吸附层几个原子层厚，其驱动力是表面自由能的降低。

界面现象在材料、超晶格材料、薄膜材料、涂覆材料中比较普遍，对这些材料的性能起着非常大的影响作用。晶界可以分成孪晶、小角度晶界、大角度晶界。晶体表面为密排面，各晶面原子排列密度不同，各面表面能不同，而密排面作表面，晶体表面能最低。由于空位的存在，促使溶质原子向晶界迁移的偏聚，辐射或加热时产生大量空位在冷却时向晶界迁移并消失。非平衡偏聚特点：偏聚范围大，易过烧；是易扩散通道；易形核易受腐蚀；常温下强化，高温下弱化。

5结语

晶体缺陷的研究对材料科学具有重大意义，其理论可以对材料中的重要现象加以解释并应用到实际的加工设计中，随着现代观测和实验技术的快速发展，以及基础学科研究的不断深入，对晶体缺陷的研究将会更上一层楼，也会让我们对材料本质的认识更进一步。

参考文献

[1]郑子樵等《材料科学基础》中南大学出版社2005.6

[2]王日出《材料科学基础课件1》中南大学2009

[3]柏振海《材料科学基础课件2》中南大学2010