晶体缺陷中的杂质缺陷产生条件是什么？ 第1页

先说说是形成间隙杂质还是置换杂质。

一般来说，杂质的原子半径是影响其固溶形态最重要的影响因素。小半径原子倾向于形成间隙型杂质。而大半径原子带来的晶格变形太大，难以形成间隙杂质，反而会通过挤走一个晶体原子的方式来降低变形，形成置换杂质。

宏观现实世界中不存在绝对纯净的材料，总是会多多少少的含有一些杂质。这些杂质可能是生产过程中不小心混入的（例如空气之中的氮和氧），也可能是人工掺入以提高材料性能的（例如铁掺碳变成钢）。

在金属这样的晶体材料中，单个杂质原子一般有两种存在形式：间隙型和置换型。

把原子看成一个个球，规则的堆积起来就变成了晶体。显然这种堆积不能完全填满空间，会存在许许多多的间隙。占据这些间隙位置的杂质，就属于间隙型杂质原子。

除了占据间隙以外，杂质原子还有另一个选择，那就是挤走一个原来的晶体原子，然后占据它空出来的位置。这种杂质原子被称为置换型杂质原子。

那么，如何定量的判断某种杂质掺入晶体中之后，是倾向于形成间隙型杂质，还是置换型杂质呢？这里就要判断哪种杂质的能量低了。

把间隙杂质变成置换杂质，主要会带来两部分能量变化：

1）间隙位置带来的晶格变形，一定大于其处于置换位置带来的变形。因此，杂质占据置换位置，能降低晶格变形能。

2）形成置换型杂质需要挤走一个晶体原子，带来额外的能量提升

假如间隙杂质半径很大，引发的晶格变形能也很大。杂质原子就倾向于占据置换位置，来释放掉这部分晶格变形能。

假如间隙杂质半径较小，晶格变形能的降低不足以抵消挤走一个晶体原子带来的能量提升，那么杂质原子就倾向于占据间隙位置。

举个例子，在钢材中，各种小半径元素（氢、碳、氮、氧等），一般都占据间隙位置。而大半径的元素（铬、钴、镍等），则占据置换位置。

再谈谈杂质能否进入晶体这个问题。

杂质能否进入晶体，取决于三个因素：1）杂质在晶体中的溶解能；2）杂质在晶体中的扩散速度；3）外界施加给杂质的溶解驱动力。

1）杂质在晶体中的溶解能：顾名思义，指杂质从外界进入晶体这个溶解过程的能量变化。若杂质溶解提高能量，则难以溶解，若降低能量，则会自发溶解。这个能量取决于杂质和晶体的化学性质，没有简单的判断标准。

2）杂质在晶体中的扩散速度：即使杂质溶解在热力学上是可行的，但如果杂质在晶体内的扩散速度很慢，溶解过程则需要要花上很长很长的时间。所以杂质需要有足够的扩散速度才能进入晶体。

一般而言，间隙杂质的扩散比较快，所以钢铁很容易被氧原子渗透，从而生锈。置换型杂质扩散很慢，例如铬在铁中形成置换杂质的溶解能很低，但你把铬和铁压在一起，过上十年也没有多少铬能溶解到铁中。

3）外界施加给杂质的溶解驱动力：氢不容易溶解在铁中，但如果给氢气加足够的高压，氢压得受不了，就会往铁中跑了。这类驱动力可以是气压、浓度等，也可以是电压（电化学腐蚀）。