1.1.4 实际金属中的晶体缺陷
前面所讨论的是理想晶体的结构情况。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着偏离理想结构的区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性
的区域称为晶体缺陷。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
的加工过程以及其他因素的作用（如辐照）等有关；而且，通常情况下金属都是多晶体，在
晶粒的交界（晶界）处，原子的规则排列也必然破坏。这些都导致晶体的不完整性，产生了
晶体缺陷。但必须指出，金属晶体中虽有缺陷存在，从总的来看其结构仍然保持着规律性，
仍可认为是接近完整的；即使在严重塑性变形的情况下，晶体中位置偏移很大的原子数目平
均来说至多仅占总原子数的千分之一。因此，晶体缺陷仍可以用相当确切的几何图象来描述。
根据晶体缺陷的几何形态特征可以将它们分成三大类。
1.1.4.1 点缺陷
点缺陷：其特点是在 X 、Y 、 Z 三个方向上的尺寸都很小（相当于原子的尺寸），晶体
中的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组合而成的复杂缺陷（如空
位对或空位片等）。这里主要讨论空位及间隙原子。
⑴空位 在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热9
振动。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，而且经常发生变化，此起彼伏。在任何瞬间，总有一些原子的能量大到足以克服周围原
子对它的束缚作用，就可能脱离其原来的平衡位置而迁移到别处。结果，在原来的位置上出
现了空结点，称为空位。
⑵间隙原子 间隙原子就是位于晶格间隙之中的原子。有自间隙原子和杂质间隙原子两
种。自间隙原子就是上述所述的形成空位的同时而形成的从晶格结点转移到晶格间隙中的原
子如图 1.16b 所示。杂质间隙原子是外来杂质溶入晶格间隙所至，是金属中间隙原子的主要
存在形式。
由于形成一个间隙原子要求很高的能量，所以，在纯金属中，主要的点缺陷是空位而不
是间隙原子。但空位所造成的晶格畸变比间隙原子造成的畸变要小的多，如图 1.17。
1.1.4.2 线缺陷
线缺陷：其特点是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很长，故也称一
维缺陷。如位借，位错有两种。
⑴刃型位错 在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分沿一
定晶面相对于晶体的未动部分，逐步发生了一个原子间距的错动（图
1.18）。例如，图中右上角部分晶体逐步向左移了一个原子间距时，
则在发生了错动的晶体部分同未动部分的边缘上产生了一个多余的
原子面。该原子面象是一个后塞进去的半原子面，不延伸至下半部晶
体中，犹如切入晶体的刀刃，刃口线为位错线，这就是刃型位错。 图 1.18 刃型位错示意图
刃型位错应该是晶格畸变的中心线（图中“ ⊥ ”符号的地方）。由于在其周围的原子位
置错动很大，即晶格的畸变很大，且距它愈远畸变愈小，所以刃型位错实际上为几个原子间
距宽的长管道。
⑵螺型位错 在金属晶体中， 由于多种原因，也可能出现一种原子呈螺旋线形错排的
线缺陷为螺型位错。螺型位错在空间实际上为一个螺旋状的晶格畸变管道，宽仅为几个原子
间距，长则可穿透晶体。
位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错能与位错或其他晶体缺陷
产生交互作用。位错的密度是指单位体积中位错线的总长度，即 ρ = ΣL /V 。式中 ρ 为位错
密度，单位为 −2
cm ；ΣL 为位错的总长度，单位为cm ；V 为体积，
单位为 3
cm 。位错是影响金属机械性能最重要的晶体缺陷。金属晶
体中位错的存在，使金属的强度值降低 2～3 个数量级。
1.1.4.3 面缺陷
面缺陷：其特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上
的尺寸很大，故也称二维缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有两种。 10
⑴晶界 实际金属为多晶体（图 1.19），是由大量外形不规则 图 1.19 纯铁的多晶体结构
的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体，一般尺寸为 3
10
−
～ −2
10 cm ，但也
有大至几个或十几个毫米的。所有晶粒的结构完全相同，但彼此之间的位向不同，位向差为
几十分、几度或几十度。属于同一固相但位向不相同的晶粒之间的界面称为晶界，随相邻晶
粒位向差的不同，晶界宽度为 5～10 个原子间距。晶界在空间呈网状；晶界上原子的排列不
是非晶体式的混乱排列，但规则性较差。原子排列的总特点是，采取相邻两晶粒的折中位置，
使晶格由一个晶粒的位向，通过晶界的协调，逐步过度为相邻晶粒的位向（图 1.20）。
晶界上一般积累有较多的位错。位错的分布有时候是规则的。晶界也是杂质原子聚集的
地方。杂质原子的存在加剧了晶界结构的不规则性，并使结构复杂化。
⑵亚晶界 晶粒也不是理
想的晶体，而是由许多位向相
差很小的所谓亚晶粒组成的。
晶粒内的亚晶粒又叫晶块（或
嵌镶块）。尺寸比晶粒小 2～3
个 数 量 级 ， 常 为 −6
10 ～
cm
−4
10 。亚晶粒的结构如果不
考虑点缺陷，可以认为是理想 图 1.20 晶界原子排列示意图 图 1.21 位错墙构成亚晶界示意图
的。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达 l～2 度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
是位错规则排列的结构。例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙（又叫倾侧晶界）（图 1.21）
而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷，对
实际金属中除了上述点、线、面缺陷外，还存在着一些其它的晶体缺陷。这些缺陷的存
在，破坏了晶体的完整性，大大影响了晶体的性能、但是必须指出，缺陷的存在并不改变金
属的晶体性质。晶体学的许多规律，对于实际金属是适用的，只是还应看到各种具体的偏差。
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、运动和交互作用，而且能合并和消失。晶体缺陷对金属的许多
性能有很大的影响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。
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