點缺陷與非化學計量
間隙型雜質(interstitial impurity)
間隙型雜質是一個外來原子,它不去佔據晶格位置,而是把自己塞進母原子之間的某個小空隙裡。想像一箱裝好的橘子:果實排成規則陣列,但它們之間有一個個空的小口袋。現在把一把豌豆丟進那些口袋——豌豆夠小,能塞進空隙而不把橘子推離原位。那些豌豆就是間隙型雜質;橘子則是母晶體。
晶體中的空隙(間隙位置)有標準的形狀與大小——母原子之間的八面體間隙與四面體間隙——而它們很小,所以只有真正微小的外來原子才能佔據。實務上,形成間隙型的都是輕元素:碳、氮、氫、氧、硼。碳在鐵中是經典案例:一個碳原子(半徑約 0.077 nm)坐進鐵較大的八面體間隙,雖然仍是勉強擠入、會使周圍晶格產生應變,卻小到塞得下。而一個置換型尺寸的大原子根本辦不到——它需要一整個屬於自己的位置。
間隙型雜質的影響力遠超過它的分量,因為即使只有微量,它們也會扭曲晶格,並釘住承載變形的缺陷。每個間隙碳原子周圍的應變場,正是使鋼變硬的原因:它阻礙滑移的差排,否則鐵原本能輕易滑移。控制百分之零點幾的間隙碳與氮,說得一點也不誇張,就是軟鐵與硬化鋼之間的差別。
在高溫的面心立方鐵(沃斯田鐵)中,碳原子坐進八面體間隙,可溶解到約重量百分之二。快速淬冷這種沃斯田鐵,被困的碳來不及逃離,把鐵扭進一個受應變、非常硬的結構(麻田散鐵)——鋼的硬化,完全由間隙碳所驅動。
只有小原子(C、N、H、O、B)能塞進空隙;鐵的八面體間隙中的碳,是教科書級的例子。
一個雜質要當間隙型還是置換型,主要由大小決定:只有遠比母原子小的原子才塞得進空隙。大的外來原子當不了間隙型——它只能改為取代一個母原子。
又稱
另見