1.1.4 晶体的缺陷
在实际的晶体中，原子的排列不可能是完整的理想状态，而是或多或少地存在偏离理想结构的区域。缺陷的产生与晶体的生成条件（晶体凝固）、晶体中原子的热运动（固态相变）、晶体的再加工（如冷拉）及辐射有关。
晶体的缺陷对金属的许多性能有极其重要的影响，特别是对塑性变形，断裂强度等起决定作用。
在晶体中，缺陷并不是静止的、稳定不变的存在着，而是随各种条件的改变，不断地变动，可以产生、发展、运动和相互作用，有时还会合并消失。
晶体的缺陷按几何形状可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种形式。
1.点缺陷
在晶体中，位于点阵上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心，作高频率的热运动。在一定温度时，原子热振动的平均能量是一定的。但是各个原子的能量并不完全相等，振动的能量经常变化，称其为能量起伏。在任一瞬间，晶体中总有些原子具有很高的振动能量，足以克服周围原子对它的束缚作用，可以脱离其原来的平衡位置而迁移到别处，结果在原来的位置上就出现了空结点，称为空位。
离开平衡位置的原子可以有两个去处，即迁移到晶体的表面，也可以迁移到晶体点阵的间隙，晶体内就多了一个原子，称为填隙原子；空位、填隙原子就是点缺陷，如图1-7所示。此外，晶体中的杂质原子也是一种点缺陷。
图1-7 晶体中的点缺陷
a）填隙原子 b）空位
显然，空位形成比填隙原子要容易得多，也就是说填隙原子的形成能比空位的形成能高，因此在同一温度下，空位浓度远多于填隙原子，同时温度越高，原子热运动加剧，原子离开平衡位置的可能性增加，空位也就越多。
空位的存在，使周围原子失去了一个近邻原子而影响原子间作用力的平衡，因而周围的原子都要向空位方向稍作些调整，造成点阵局部的弹性畸变，同样填隙原子所处的点阵也会发生畸变，而且畸变更大。
晶体中空位和填隙原子不是固定不变的，而且处于不断运动变化之中。由于原子的能量分布不均，当空位周围的原子因热振动获得足够的能量，就可能迁移至该空位（见图1-8）。空位可以通过迁移聚集，也可以消失在晶界和晶体的表面。
图1-8 空位从A迁移到B示意图
高温淬火、冷加工、高能粒子辐射等都可能造成点缺陷。
例如，高温淬火：在高温时，空位的浓度很高，如果缓慢冷却下来，多余的空位将在冷却过程中，因热运动而消失在晶体的表面、晶界、位错处。如果金属从高温态急剧冷却（例如淬火）下来，高温时的空位大部分保留到低温时，使晶体空位数远远超过该温度下应有的空位数，淬火空位不但对金属电阻率有影响，而且还可以提高金属的屈服强度。
点缺陷对金属的物理性能和力学性能都有一定影响，点缺陷引起电阻增加。这是由于晶体中存在点缺陷时对传导电子产生附加的电子散射，使电阻增加。点缺陷存在还使晶体体积膨胀，密度减少。实际上，一个空位缺陷，体积膨胀大约0.5个原子体积。一个填隙原子，体积膨胀多达1～2个原子体积。
2.线缺陷
位错在晶体中呈连续的线状分布，称之为线缺陷。它表征在晶体中，有一列或数列原子发生了有规律的错排现象。位错的多少用位错密度ρ来表示：
式中 L——晶体内所含的位错线的总长度（cm）；
V——晶体的体积（cm3）。
经过充分退火的金属晶体中，位错密度为106～108cm-2，而经过强烈冷却变形的金属，位错密度可增加至1011～1012cm-2。
最常见的位错是刃型位错和螺型位错，如图1-9所示。
1）刃型位错
晶体内有一个原子平面在晶体内部中断，其断裂处的边沿就是刃型位错。由于位错周围原子的畸变，中断剩余的这部分原子面犹如插入的刀刃一样，因而称为刃型位错，如图1-9b和图1-10所示。
图1-9 晶体中原子平面示意图
a）完整晶体 b）有刃型位错晶体 c）有螺型位错晶体
刃型位错在晶体塑性变形中有重要作用。晶体受到的应力超过弹性极限后，将产生永久变形。金属之所以能压成片，或拉成丝就是这个原因。晶体的这种变形可以用晶面的滑移来解释。实验证明，当晶体受到弯曲或被拉长时，晶体各部分沿着晶面发生了相对位移即发生了滑移。当外力取消后，形变不恢复而产生永久变形。所以，塑性是由晶面的滑移产生的。因为滑移往往沿晶面发生，并且沿一定的晶向滑动，这些晶面称为滑移面，使晶面产生滑移的最小应力称为临界切应力。
图1-10 刃型位错的原子排列（垂直于位错线的原子平面）
在切应力的作用下，如果滑移是上半部分对下半部分整体滑移，即同时做整体刚性的移动，这样所需的切应力很大，是实验测得的切应力的几千倍甚至几万倍。若滑移是通过位错在切应力作用下，在晶体中逐步地移动来进行的，当它由晶体的一端移至另一端时，只需要其邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体的其他部位仍处于正常位置，此时滑移的切应力大为减少。图1-11是说明刃型位错的滑移过程。
图1-11 刃型位错的滑移过程
2）螺型位错
位错另一种形式是螺型位错，如图1-12所示。从图1-12a可见，如果将晶体沿ABCD面局部切开，并使这上下两部分晶体相对移动一个原子间距，然后上下接合起来，这形成螺型位错。图1-12b是俯视图，进一步看出aa′右边晶体的上层原子与下层原子相对移动了一个原子间距。而BC和aa′之间形成了一个上下原子不吻合的过渡区域，这里的原子平面被扭成了螺旋面，即螺型位错，BC线为螺型位错线。在原子面每绕位错线一周，就推进了一个晶面间距。在螺型位错附近也产生了点阵畸变。
图1-12 螺型位错示意图
a）立体图 b）俯视图
螺型位错的运动（滑移）与刃型位错一样，如图1-13所示。(https://www.daowen.com)
图1-13 螺型位错的滑移过程
3.面缺陷
晶体内的二维缺陷为面缺陷，面缺陷就是金属晶体界面的缺陷，通常包括几个原子层的区域。对金属的物理化学性质有较大影响。这里主要有堆垛层错、晶体表面以及晶界三种缺陷。
1）堆垛层错缺陷
堆垛层错简称层错，是面缺陷的一种。层错缺陷就是原子堆垛次序发生错乱的现象，如图1-14所示。层错几乎不产生畸变，但破坏了晶体的正常周期，使电子发生反常的衍射效应和能量增加，增加的能量称为层错能。显然层错能越大，越不容易发生层错。
图1-14 面心立方结构层错
a）密排面的堆垛顺序 b）抽出型堆垛层错 c）插入型堆垛层错
2）晶体表面缺陷
在晶体表面上，原子的排列情况与晶体内部是不同的，晶体表面原子虽然和里层原子具有结合能，但外表面与空气（或金属蒸气）接触，并无本体原子作对称结合。因此，表层原子必须调整位置，以维持比较稳定的状态，故在晶体表面上原子的排列也存在畸变。当表面原子离开它的平衡位置，位能升高，升高的能量称为表面能，原子密度较大的晶体表面，表面能小一些。
由于金属表面能量较高，呈现表面现象，如易腐蚀和具有残余的亲和力。
3）晶界缺陷
金属材料一般都是多晶体，由许多晶粒组成，位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。多晶体中位向不同的各晶粒之间，原子排列从一个取向过渡到另一取向，故晶界处的原子处于过渡状态。试验表明，晶界是只有2～3个原子厚度的薄层，并使相邻不同取向晶粒匹配得很好，如图1-15所示。
晶界结构与相邻晶粒之间的位向夹角有关（见图1-16），位向差比较小，位向角θ<10°的晶界称为小角度晶界，位向角θ>10°称为大角度晶界。
图1-15 晶界的过渡结构
图1-16 晶界之间的位向差
小角度晶界最简单的是对称倾侧晶界，是由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成（见图1-17）。对称倾侧晶界可以看作两边的晶体绕位错线的轴各自旋转一个相反的θ/2角度而形成（见图1-18）。晶界缺陷是多晶体的重要面缺陷，对晶体性能有重要影响。
另一种类型小角度晶界为扭转晶界。表示将一个晶体沿中间平面切开，然后使一半晶体转过小角度，再将两半晶体合在一起，形成的就是扭转晶界。这种晶界实际是由螺型位错交叉网络构成的（见图1-19）。
一般的小角度晶界基本上是由刃型位错和螺型位错结合而成。大角度晶界十分复杂，尚不十分清楚。
图1-17 对称倾侧晶界
a）晶界位向差 b）位错模型
图1-18 对称倾侧晶界的形成示意图
a）倾侧前 b）倾侧后
图1-19 扭转晶界的形成模型
a）晶界位向差 b）位错模型
晶界上由于原子排列是畸变的，比晶粒内部的能量高一些，增高的能量称为晶界能，晶界能随两晶粒取向差的增大而增高，但当取向差达到相当大时，晶界能不再变化，如图1-20所示。实际金属晶界一般为大角度晶界，各晶粒的位向差大约为30°～40°，实际测得各种金属的晶界能约为0.25～1.05J/m2，与晶粒的位向差无关。
图1-20 铜的晶界能
图1-21 孪晶与孪晶面
孪晶界是所有晶界中最简单的一种，孪晶是指两晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共的面构成镜面对称的位向关系，此公共面称为孪晶面（见图1-21）。在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上。且孪晶为两部分晶体所共有，这种形式的界面称为共格晶面。挛晶之间的界面称为挛晶面，挛晶界常常就是挛晶面，即共格挛晶面。
由于挛晶界上的原子是共格的，因此挛晶界的能量较晶粒间的能量低得多。例如铜的晶界能是0.5J/m2，而铜的共格挛晶的能量只有0.019J/m2。
晶界的结构比较复杂，与晶体内部不同，是不完整的，使其具有不同晶粒内部特性，晶界处点阵畸变大，存在着晶界能；较高的晶界能表明，它有自发地向低能状态转变的趋势。晶粒长大和晶界平直化都能减少晶界的总面积，从而降低了晶界的总能量。但只有当原子具有一定动能时，这个过程才有可能。温度越高，原子动能越大，故越有利晶粒长大和晶界的平直化。
晶界对于金属材料有很大影响。晶界处的原子排列的不规则，不仅使电阻升高，而且使它在常温下对金属材料的塑性变形起阻碍作用，在宏观上表现为晶界较晶粒内部具有较高的强度和硬度。显然，晶粒越细小，金属材料的强度、硬度越高。因此，在金属冶炼和热加工过程中，对晶粒大小的控制是获取优质材料的一个重要因素。
晶界处的原子偏离其平衡位置，具有较高的动能，并存在有较多的空位、位错等缺陷，故原子的扩散速度比晶粒内部快得多。而且晶界的熔点较低，因而熔化先从晶界开始。当晶界处富集某些低熔点的杂原子时（当金属溶有某些微量元素时，往往优先富集于晶界处，这种现象称为内吸附），其熔点降低更多。
金属在腐蚀性介质中使用时，晶界的腐蚀速度一般都比晶粒内部快，这也是由于晶界的能量更高，原子处于不稳定状态的缘故。在金相分析中，用化学试剂浸蚀抛光的试样表面，晶界首先被腐蚀而形成凹形，因此在显微镜下很容易观察到黑色的晶界。