在实际应用的金属材料中总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。一般来说，金属中这些偏离其规则位置的原子数目很少，即使在最严重的情况下，偏置原子数目最多占总原子数的千分之一。因此，总的来看其结构是接近完整的。尽管如此，这些晶体缺陷还是对金属及合金的性能（如强度、塑性和电阻等） 产生了很大的影响，而且在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演着重要角色。由此可见，研究晶体的缺陷具有重要的实际意义。

如果一个晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向） 是完全一致的，则这种晶体称为单晶体，如图2 -7 （a） 所示。在工业生产中，只有采用特殊的方法才能获得单晶体，如单晶硅、单晶锗等。单晶体是制造大规模集成电路的基本材料。而实际更广泛使用的是体积很小、其内部仍包含许多颗粒状的小晶体的金属材料，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此之间晶格位向不同。小晶体的外形呈不规则的颗粒状，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2 -7 （b） 所示。一般金属材料都是多晶体结构。

图2-7　单晶体和多晶体结构

（a） 单晶体； （b） 多晶体

实际金属材料是多晶体结构，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，一个晶粒的各向异性在许多位向的晶粒之间可以互相抵消或补充，因此各晶粒的位向虽然不同，但结果只表现它们的平均性能。这就是测不出它们像单晶体中那样的各向异性的原因，整个金属的性能是这些晶粒性能的平均值，故实际金属材料表现为各向同性。

因为晶粒与晶粒之间存在着晶格位向的差异，所以在晶界处原子的排列就不可能是规则的，这种原子排列不规则的区域称为晶体缺陷。根据几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。

1.点缺陷

点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。常见的点缺陷是空位、间隙原子和置换原子，如图2 -8 所示。在实际晶体结构中，晶格的某些节点往往未被原子占据，这种原子空缺的位置称为空位。与此同时，在晶格的某些空隙处又会出现多余的原子，这种不占有正常节点位置而是处在晶格空隙之中的原子，称为间隙原子。异类原子占据晶体的节点，称为置换原子。

图2-8　空位、间隙原子和置换原子

在空位、间隙原子或置换原子的周围，原子间作用力的平衡被破坏，使其周围原子偏离原来的平衡位置，导致晶格畸变。晶格畸变使晶体性能发生改变，如强度、硬度的升高和电阻的变大。

此外，晶体中的空位和间隙原子都处在不断的运动变化之中。空位和间隙原子运动是晶体中原子扩散的主要方式之一，这对金属的热处理过程是极其重要的。

2.线缺陷

线缺陷即晶格中的“位错线”，简称位错。位错可被视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果。晶体滑移部分与未滑移部分的交界线即位错线。位错是金属和陶瓷晶体中常见的线缺陷。

位错是在晶体中某一列或若干列原子发生有规则的错排现象。图2 -9 所示为简单立方晶格中刃型位错模型。由图2-9 可见，在晶体的ABC 平面以上多出一个垂直的半原子面，这个多余的半原子面像刀刃一样垂直切入晶体，使晶体刃部周围产生了错排现象，这种现象称为刃型位错。多余原子面的底边EF 称为位错线。在位错线上方的原子受到压应力，而其下方的原子受到拉应力。距位错线越远，晶格畸变就越小，应力也越小，原子排列越趋于正常。(www.daowen.com)

图2-9　简单立方晶格中刃型位错模型

（a） 立体示意图； （b） 垂直于位错线的原子平面

晶体中位错密度的变化即位错的运动，它对金属的性能、塑性变形及组织转变都有着极为重要的影响。如果金属晶体没有缺陷，则其强度是很高的。随着缺陷的增加，其强度先是急剧下降至最低点，即退火状态，然后随着缺陷的增加又平稳上升，即加工硬化状态。

金属晶体中的位错线往往大量存在。在透射电子显微镜下所观察到的铁为相互连接、呈网状分布的。位错线的密度通常在104 ～1012 cm -2。

3.面缺陷

在金属和陶瓷等材料的结晶过程中会形成由许多位向各不相同的小晶体（单晶体） 组成的多晶体，各小晶体由边界分开。构成多晶体的每个小晶体称为晶粒，晶粒之间的边界称为晶界。晶界是晶体中主要的面缺陷。

由于各晶粒之间的晶界同时受相邻不同位向晶粒的影响，要适应两个晶粒的位向，必须从一种位向过渡到另一种位向，这样就出现了过渡层，即晶界，因而晶界上的原子处于无规则状态。图2 -10 （a） 所示为晶界结构。

实际上，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒都是由尺寸更小、位向差也更小的小晶块组成的，这些小晶块称为亚晶粒或亚颗粒。亚晶粒与亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，图2 -10 （b） 所示为亚晶界结构。

图2-10　晶界和亚晶界结构

（a） 晶界结构； （b） 亚晶界结构

晶界处原子排列不规则使晶格处于畸变状态，因而晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性，如晶界在常温下的强度、硬度较高，而在高温下强度、硬度较低，晶界容易被腐蚀及晶界的熔点低等。

由上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使其金属的物理、化学和力学性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界越多，位错密度越大，金属的强度便越高。这些对我们掌控和充分利用金属材料有着重要的实际意义。

晶体缺陷在晶体的塑性、强度、扩散以及其他的结构敏感性问题中起着主要的作用，近年来对晶体缺陷的理论和实验的研究进展非常快。还需指出，上述缺陷都存在于晶体的周期性结构之中，它们都不能取消晶体的点阵结构。我们既要注意晶体点阵结构的特点，又要注意到其非完整性的一面，这样才能对晶体结构有一个比较全面的认识。