점 결함

점 결함 중 가장 단순한 것이 공공, 즉 빈 격자점으로, 일반적으로 원자의 분실에 의해 형성된다. 모든 결정 고체는 공공을 포함하는데, 사실 이들 결함이 없는 재료를 만드는 것은 불가능하다. 공공의 존재 필요성은 열역학 원리로 설명할 수 있다. 중요한 점은 공공의 존재는 결정의 엔트로피를 증가시킨다는 것이다. 재료의 단위 부피에 생성되는 공공의 평형 개수는 온도에 의존하며 온도에 따라 증가한다. 공공의 수는 온도의 증가에 따라 지수적으로 증가하며, 대부분의 금속의 경우, 용융점보다 낮은 온도에서 공공의 분율은 거의 0.0001이다. 즉, 10,000개의 격자점 중에서 1개의 격자점이 비어 있음을 말한다. 이 밖에 재료의 많은 변수들이 온도에 대해 지수적인 관계를 보인다.

자기 침입형은 결정 원자가 침입형 자리로 이동하는 것을 의미한다. 금속에서, 일반적으로 원자의 크기가 침입형 자리의 공간보다 크기 때문에 자기 침입형은 주위의 격자에 비교적 큰 비틀림을 일으킨다. 따라서 이러한 결함 형성의 가능성은 매우 낮으며, 일반적으로 매우 작은 농도이고, 공공의 경우보다도 매우 낮다.

오직 한 종류의 원자로 구성된 순수 금속이 존재하긴 불가능하며, 금속 내에는 불순물 또는 외부 원자들이 항상 존재한다. 그리고 이러한 외부 원자는 점 결함으로 존재할 수 있다. 우리가 사용하는 대부분의 금속들은 순수 금속이 아니며, 재료의 특정한 성질을 주기 위해 불순물이 첨가된 합금이다. 일반적으로 합금화는 금속의 기계적 강도와 내부식성을 향상시키기 위해 사용되었다. 예를 들어, 법정 은은 92.5 %의 은과 7.5%의 구리로 구성된 합금이다. 일반적인 환경에서 순은은 높은 내부식성을 가지고 있으나 매우 연하다. 구리를 첨가한 은 합금은 내부식성을 거의 변화시키지 않고 기계적 강도를 크게 증가시킨다. 금속에 불순물 원자를 첨가하면 불순물의 종류, 농도, 온도에 따라 고용체와 새로운 제2의 상이 형성된다. 여기에서는 고용체에 관해 설명하고, 새로운 상의 형성에 관해서는 다음에 설명하도록 하겠다.

불순물과 고용체에 관련된 몇 가지 용어를 살펴보면, 합금에서는 용질과 용매라는 용어가 많이 사용된다. 용매는 가장 많은 양으로 존재하는 원소 또는 성분이며, 때로는 용매 원자를 모원자라고도 한다. 반면에 용질은 적은 농도로 존재하는 원소 또는 성분을 말한다. 고용체는 용질 원자가 모재료에 첨가되어 새로운 구조를 형성시키지 않고 기존의 결정 구조를 유지하는 것을 말한다. 이것은 액체 용액과 유사하게 생각할 수 있다. 만약 서로 잘 녹는 2개의 액상이 혼합되어 있다면, 액체 용액은 분자 상호 간 혼합으로 만들어진다. 이거의 조성은 전체적으로 균일할 것이며, 고용체 또한 조성이 균일하다. 불순물 원자는 고체 내에서 무질서하고 균일하게 분포되어 있다. 불순물 점 결함은 고용체 내에서 발견되며, 치환형과 침입형의 두 가지 유형이 있다. 치환형의 경우, 용질 또는 불순물 원자가 모원자를 대체한다. 용질 원자가 용매 원자에 고용되는 정도를 결정하는 몇 가지 조건이 있다. 원자의 크기는 두 원자 간의 반지름 차이가 대략 15% 미만일 경우에는 상당한 양의 용질 원자가 치환형 고용체로 용해될 수 있다. 그러나 이를 벗어나는 경우에는 용질 원자는 격자의 뒤틀림을 일으키고 새로운 상이 형성된다. 결정구조의 경우는 많은 고용도를 갖기 위해서는 두 원자 종의 금속이 같은 결정 구조를 갖고 있어야 한다. 전기 음성도는 두 원소 간의 전기 음성도 차가 크면 클수록 치환형 고용체보다는 금속 간 화합물을 형성하기가 쉽다. 다른 요소가 동일하다면 금속은 낮은 원자가를 갖는 금속보다는 높은 원자가를 갖는 금속에 더 많이 용해된다.

치환형 고용체의 예는 구리와 니켈에서 볼 수 있다. 이들 두 원소는 어떤 분율에서도 잘 고용된다. 침입형 고용체의 경우, 불순물 원자는 모원자들 사이의 빈 곳 또는 침입형 공간에 채워진다. 비교적 높은 충진율을 가진 금속 재료의 경우에는 이들 침입형 공간의 크기가 비교적 작으며, 따라서 침입형 불순물의 원자 지름이 모원자의 지름보다 상당히 작아야 한다. 일반적으로 침입형 불순물 원자의 최대 허용 농도는 낮다. 매우 작은 불순물 원자라도 대개는 그 크기가 침입형 공간보다는 크며, 따라서 침입형 불순물 원자는 주변 모원자들에 약간의 격자 변형을 일으킨다. 철에 탄소가 첨가될 때는 탄소는 침입형 고용체를 형성하며, 탄소의 최대 농도는 약 2%이다. 탄소 원자의 원자 반지름은 철보다 매우 작다. 세라믹 재료의 경우에도 고용체가 가능하다.

합금의 조성 혹은 농도를 구성 원소에 대해 나타낼 필요가 있다. 조성을 나타내는 가장 일반적인 두 가지 방법은 무게비와 원자비이다. 무게비는 전체 합금 무게에 대한 특정 원소의 무게 비율이다. 원자비 계산은 합금의 전체 원소의 총 몰수에 대한 특성 원소의 몰수이다. 또한 원자비 계산은 몰수 대신에 원자수로도 계산할 수 있는데, 이는 모든 물질의 1몰은 같은 원자수를 포함하기 때문이다.

가끔 조성의 표기를 무게비에서 원자비로 변환할 필요가 있다. 또한 무게비의 농도를 재료의 단위부피당 한 성분의 질량으로 변환할 필요가 있다. 이러한 조성 변환은 확산의 계산에서 자주 사용된다. 또한 주어진 조성의 2원계 합금에서 밀도와 원자량을 무게비나 원자비의 함수로 나타낼 필요가 있다.

기타 결함에는 전위-선 결함과 계면 결함이 있다. 전위는 일부 원자들의 정렬이 어긋난 선 결함 또는 1차원 결함이다. 여기에 잉여의 원자면 또는 반평면이 존재하며, 그 가장자리가 결정 내에서 끝난다. 이러한 전위를 칼날 전위라고 한다. 이것은 잉여 반평면 끝을 따라 나타나는 선을 중심으로 위치한 선 결함이며, 이러한 선을 전위선이라고 한다. 나선 전위라는 또 다른 종류의 전위가 있는데, 뒤틀림을 일으키는 전단 응력에 의해서 발생한다. 결정의 앞면 윗부분 영역이 아랫부분에 비해 오른쪽으로 1개 원자 거리만큼 이동되어 있다. 나선 전위에 수반되는 원자 뒤틀림도 선형이고, 전위선을 따라 있다. 또한 나선 전위라는 이름은 전위선 부근에서 원자면이 나선형 경로를 보이는 데서 유래한다. 결정 재료 내에서 발견되는 대부분의 전위들은 순수한 칼날과 나선 전위만으로는 존재하지 않으며, 두 종류의 전위가 혼합된 형태로 존재한다. 이것을 혼합 전위라고 한다.