第5章固体中的缺陷
为什么要学习固体中的缺陷
某些材料的性质受到存在于材料中的缺陷的极大影响。因此、知道存在于材料中缺陷的类型，以及它们在影响材料性质中的作用是很重要的。例如、纯金属的力学性质经过合金化以后（即加入杂质原子）会发生很大变化——例如、标准银合金（含银92.5％，含铜7.5％）比纯银更硬更强（8.10节）。
而且，在我们的计算机、计算器和家用功能的集成微电子设备是通过在半导体材料上引入高度可控的杂质浓度和定域化掺杂获得的（12.11节）。
学过这一章后，你应当掌握以下内容：
1. 描述空位和自间隙晶体缺陷。
2. 已知相关常数，计算某特定温度下材料中的平衡空位数。
3. 两种类型的固溶体的书面定义和图示表达。
4. 陶瓷化合物中几种不同的点缺陷。
5. 已知合金中组元的质量和原子量，计算每种元素的质量百分浓度和原子百分浓度。
6. 对于刃型、螺型和混合型位错中的每一种：
（a） 描述和画出位错；
（b） 注意位错线的位置；
（c） 指出位错线延伸的方向。
7. 描述（a）晶界和（b）孪生晶界附近的原子结构
5.1 引言
对于晶体固体材料，我们默认在材料内部原子级水平上排列完全有序。然而这种理想固体是不存在的；所有固体都存在大量的各种缺陷。事实上材料的许多性质都很深地受到材料中缺陷程度的影响；这种影响不总是有害的，人们常常通过有意识的引入缺陷和控制缺陷的量来获得特殊性质的材料，详细情况在下面的章节中要介绍。
“晶体缺陷”意味着在原子大小范围晶格不规则。晶体缺陷的分类通常按照缺陷区的几何形状和大小。这一章要讨论几种不同的缺陷，包括点缺陷（尺寸与一两个原子大小相近），线缺陷（一维缺陷），以及面缺陷，即界面，是二维缺陷。也要讨论如果在某一方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟，而在其它方向上的尺寸相对于晶体或晶粒线度可以忽略不计，那么这种缺陷就称为线缺陷或位错，这是本章要着重讨论的缺陷…
(3)面缺陷如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比固体中的杂质，因为杂质原子也可能以点缺陷的形式存在。{最后，简要叙述显微测量缺陷的技术和材料的结构。}
点缺陷
5.2 金属中的点缺陷
最简单的点缺陷是空位,即空的晶格位。通常在一个原子原来占据的地方变成了空位（图5.1）。所有晶体固体都含有空位，事实上，不可能阻止材料中没有空位这种缺陷。空位存在的必然性可以用热力学原理来解释；实质上、空位的存在增加了晶体中的熵（无序性）。
一定量的材料中的平衡空位数Nv随温度而增加，具有如下关系：
word/media/image1.gif （5.1）
式中，N是总的原子数，word/media/image2.gif是形成空位所需要的能量，T是绝对温度，k是气体常数或波尔兹曼常数，取值取决于
word/media/image2.gif的单位。
word/media/image2.gif的单位为焦耳时，k为1.38*10-23J/atom-K,当
word/media/image2.gif的单位为电子伏特时，k为8.62*10-5eV/atom-K。因此，空位数随温度成指数增加。对大多数金属，空位分数
word/media/image3.gif在略低于熔点的时候是10-4数量级，也就是说，在10000个位置中有一个是空的。正如以上讨论指出的，其他材料的空位数也有类似于公式5.1的关系。
自间隙是晶体中的一个原子挤入到原来并没有原子占据的很小的间隙位置中去的情况。这种情况也表示在图5.1中。对于金属材料，自间隙会引起周围晶格的较大变形，因为原子比间隙的空间要大得多。因此这种情况并不多见，它仅仅以很小的浓度，即远低于空位的浓度出现。例5.1
5.3 陶瓷中的点缺陷
原子点缺陷
陶瓷化合物也存在点缺陷。象金属一样，空位和间隙都是可能的；可是由于陶瓷材料至少含有两类离子，每种离子都可能形成缺陷，例如在NaCl中，Na离子间隙和空位以及Cl离子间隙和空位都可能存在。知道阴离子间隙的精确浓度不太可能。阴离子相对较大，要填入到较小的间隙中需要额外的应力排开周围的离子。图5.2画出了阴离子和阳离子空位，以及阳离子间隙。
陶瓷中缺陷的表示通常通过指定原子的类型和点缺陷浓度。由于原子以带电的离子出现，当考虑缺陷结构的时候，必须考虑电中性的要求。电中性是材料中离子所带的正负电荷总数相等。因此、陶瓷中的缺陷不会单独发生。一种缺陷类型是阳离子空位和阴离子间隙对。这种缺陷叫做弗兰克尔缺陷（图5.3）。可以认为是阳离子离开它的晶格位置进入间隙位置形成的。电荷没有发生变化，因为阳离子在间隙中仍然带正电。
另一种类型的点缺陷是AX型化合物中发现的阳离子空位－阴离子空位对，叫做肖特基缺陷，也画在图5.3中。认为这种缺陷是把材料内部的一个阳离子和一个阴离子移动到材料的外表面形成的。因为阳离子和阴离子有相等的电荷，有一个阴离子空位便存在一个阳离子空位，整个材料维持电中性的要求。
无论肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷都不会改变阳离子与阴离子的比值。如果没有其他缺陷存在，这时材料为化学计量关系，化学计量是化合物中的阴阳离子精确按照化学式的比例关系取值。如NaCl化学计量为：阴阳离子比为1:1，如果偏离这一比值，我们就把这种化合物称为非化学计量的。
非化学计量在某些陶瓷材料中是存在的，若材料中含有某种具有两种价态的离子时。氧化铁就是这样一种材料，因为铁可以二价和三价形式存在；这两种价态的任意一种离子的数量取决于温度和氧气压力。由于Fe3+的形成引入多余的一个正电荷，破坏了原材料的电中性，必须由某种缺陷形式进行弥补。当每形成两个Fe3+就可能形成一个Fe2＋空位（或移去两个正电荷）（图5.4）。晶体这时不再是化学计量的，因为有多余的一个氧离子，但是晶体保持电中性。这种现象在铁氧化物中非常普遍，事实上，它的化学式常写成Fe1-xO(这里x是小于1的可变的分数。
5.4 固体中的杂质
金属中的杂质
自然界只由一种原子组成的纯金属是不存在的，杂质即外来原子总是有，一些以点缺陷的形式存在。事实上，即使采用相当复杂的技术，也很难把金属提纯到99.9999%以上，就是在这样高的纯度下，在一立方米材料中也含有1022-1023的杂质原子。工程上应用的大多数金属都不是高纯的，而是合金，人们有意加入一些杂质原子以改善金属的力学性质和耐腐蚀特性。例如Sterling银是含银92.5%，含铜7.5%的银合金。在通常情况下，高纯银耐腐蚀性好，但是很软。加入铜合金化以后大大改善了银的力学强度，也没有损害它的耐腐蚀性能。
杂质原子加入到金属中会导致固溶体和二次相的形成，这取决于杂质种类、它们的浓度和合金的温度。这里只讨论固溶体，新相放在第10章讨论。
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