應(yīng)變驅(qū)動(dòng)：銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的深入剖析一、引言1.1研究背景與意義銅作為一種重要的金屬材料，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、良好的耐腐蝕性和加工性能，在電力、電子、建筑、機(jī)械制造等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，銅材料常常會(huì)受到各種復(fù)雜的外界條件影響，其中應(yīng)變是一個(gè)關(guān)鍵因素。應(yīng)變可能源于機(jī)械加載、溫度變化、材料內(nèi)部的應(yīng)力不均勻等多種情況。材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能起著決定性作用，而空位團(tuán)簇作為銅材料微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和演化行為直接關(guān)聯(lián)到材料的性能表現(xiàn)?？瘴粓F(tuán)簇是由多個(gè)空位聚集形成的缺陷結(jié)構(gòu)，它們的存在會(huì)顯著影響銅材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能等。例如，空位團(tuán)簇的存在可能導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低、電導(dǎo)率下降，在高溫環(huán)境下，還可能加速材料的蠕變和疲勞損傷過(guò)程，影響材料的使用壽命和可靠性。應(yīng)變作為一種外部激勵(lì)，能夠?qū)︺~中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化產(chǎn)生深刻影響。當(dāng)銅材料受到應(yīng)變作用時(shí)，原子間的相對(duì)位置發(fā)生改變，原子排列方式也會(huì)相應(yīng)調(diào)整，這必然會(huì)影響空位團(tuán)簇的穩(wěn)定性、生長(zhǎng)方式和遷移行為。在拉伸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇可能會(huì)沿著應(yīng)變方向發(fā)生伸長(zhǎng)或變形，進(jìn)而改變其內(nèi)部的原子配位情況和結(jié)合能；在壓縮應(yīng)變下，空位團(tuán)簇可能會(huì)發(fā)生收縮甚至與周圍的缺陷相互作用而消失。應(yīng)變還可能促使空位團(tuán)簇的形核位置發(fā)生變化，影響其在材料內(nèi)部的分布狀態(tài)。深入研究應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的影響，具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論層面來(lái)看，這有助于我們更深入地理解材料在復(fù)雜外界條件下微觀結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制，豐富和完善材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論?？瘴粓F(tuán)簇在應(yīng)變作用下的演化涉及到原子尺度的相互作用、能量變化和擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)對(duì)這些過(guò)程的研究，可以揭示材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為材料性能的預(yù)測(cè)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，掌握應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)銅材料的加工工藝優(yōu)化、提高材料的性能和可靠性具有重要價(jià)值。在銅材料的軋制、鍛造等塑性加工過(guò)程中，合理控制應(yīng)變條件，可以有效地調(diào)控空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和分布，從而改善材料的力學(xué)性能，減少缺陷的產(chǎn)生；在電子器件中，了解應(yīng)變對(duì)銅互連材料中空位團(tuán)簇的影響，有助于提高電子器件的性能和穩(wěn)定性，降低因空位團(tuán)簇引起的電遷移等失效風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果還可以為新型銅基材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供有益的參考，推動(dòng)材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在材料科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)變對(duì)金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的影響一直是研究的重點(diǎn)之一，銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化與應(yīng)變的關(guān)系也吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外在這方面取得了一系列有價(jià)值的研究成果。國(guó)外學(xué)者較早開展了相關(guān)研究。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，深入探究了不同應(yīng)變條件下銅中空位團(tuán)簇的初始形核過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在拉伸應(yīng)變下，空位更容易聚集形成團(tuán)簇，且形核位置傾向于在晶體的晶界和位錯(cuò)處，這是因?yàn)檫@些區(qū)域的原子排列較為松散，具有較高的能量，為空位的聚集提供了有利條件；而在壓縮應(yīng)變下，空位團(tuán)簇的形核概率相對(duì)較低，且已形成的空位團(tuán)簇可能會(huì)發(fā)生分解。在空位團(tuán)簇的長(zhǎng)大和粗化階段，國(guó)外的研究表明，應(yīng)變會(huì)顯著影響其生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)方向。在單軸拉伸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇會(huì)沿著拉伸方向優(yōu)先生長(zhǎng)，其內(nèi)部原子的擴(kuò)散方向也會(huì)受到應(yīng)變的影響，導(dǎo)致團(tuán)簇的形態(tài)逐漸發(fā)生改變，從近似球形向橢球形或長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變；并且，隨著應(yīng)變的增加，空位團(tuán)簇的生長(zhǎng)速率加快，這是由于應(yīng)變提供了額外的驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了原子的擴(kuò)散和遷移。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也進(jìn)行了大量深入研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，研究了不同溫度下應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫下，應(yīng)變會(huì)使空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，這是因?yàn)閼?yīng)變導(dǎo)致原子間的相互作用增強(qiáng)，使得空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子結(jié)合更加緊密；而在高溫下，應(yīng)變的作用則較為復(fù)雜，一方面，適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以抑制空位團(tuán)簇的熱分解，另一方面，過(guò)大的應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)，甚至引發(fā)新的缺陷產(chǎn)生。針對(duì)空位團(tuán)簇與位錯(cuò)、晶界等其他缺陷的相互作用，國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變會(huì)改變它們之間的相互作用方式和強(qiáng)度。在應(yīng)變作用下，位錯(cuò)更容易與空位團(tuán)簇發(fā)生交互作用，位錯(cuò)可以促進(jìn)空位團(tuán)簇的遷移和合并，同時(shí)，空位團(tuán)簇也會(huì)影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，這種相互作用對(duì)銅材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變具有重要影響。晶界在應(yīng)變作用下會(huì)對(duì)空位團(tuán)簇產(chǎn)生吸引或排斥作用，取決于晶界的類型和取向，這會(huì)影響空位團(tuán)簇在晶界附近的分布和演化。盡管國(guó)內(nèi)外在應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的研究上取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足與空白?，F(xiàn)有研究大多集中在單一應(yīng)變模式（如單軸應(yīng)變或簡(jiǎn)單的體應(yīng)變）下的情況，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)（如多軸不等值應(yīng)變、循環(huán)應(yīng)變等）下銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究較少，而實(shí)際工程應(yīng)用中銅材料往往會(huì)承受復(fù)雜的應(yīng)變作用，這方面的研究缺失限制了對(duì)材料在真實(shí)服役環(huán)境下微觀結(jié)構(gòu)演變的全面理解。在研究尺度方面，目前的模擬研究主要集中在原子尺度和微觀尺度，對(duì)于介觀尺度和宏觀尺度上應(yīng)變對(duì)空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響研究相對(duì)較少，不同尺度之間的銜接和關(guān)聯(lián)也有待進(jìn)一步深入探討。從原子尺度到宏觀尺度，材料的性能和結(jié)構(gòu)演化會(huì)受到多種因素的綜合影響，如何建立跨尺度的模型和理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度下應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化關(guān)系的統(tǒng)一描述，是亟待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有研究在應(yīng)變加載速率對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響方面關(guān)注不夠。應(yīng)變加載速率的不同可能會(huì)導(dǎo)致原子的擴(kuò)散和遷移過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而影響空位團(tuán)簇的形核、長(zhǎng)大和合并等過(guò)程。在快速加載條件下，原子可能來(lái)不及充分?jǐn)U散和調(diào)整位置，導(dǎo)致空位團(tuán)簇的形成和演化機(jī)制與緩慢加載時(shí)不同，但目前這方面的研究還較為缺乏，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)的研究工作。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在全面、深入地揭示應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的影響，為理解銅材料在復(fù)雜工況下的性能變化提供微觀層面的理論依據(jù)。通過(guò)系統(tǒng)研究，期望明確不同類型和程度的應(yīng)變?nèi)绾尉唧w作用于銅中空位團(tuán)簇的形核、長(zhǎng)大、遷移、合并以及分解等過(guò)程，闡明應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化之間的內(nèi)在聯(lián)系和物理機(jī)制。研究?jī)?nèi)容主要涵蓋以下幾個(gè)方面：運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，構(gòu)建合理的銅原子模型，在模擬過(guò)程中精確引入不同類型的應(yīng)變，包括單軸應(yīng)變、體應(yīng)變以及復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)，系統(tǒng)研究在無(wú)應(yīng)變和不同應(yīng)變條件下，銅中空位團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，分析團(tuán)簇中原子的排列方式、配位情況以及結(jié)合能等特征，確定不同尺寸空位團(tuán)簇的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)型。詳細(xì)探究在各類應(yīng)變作用下，銅中空位團(tuán)簇從初始形成到最終穩(wěn)定狀態(tài)的整個(gè)演化歷程，包括空位團(tuán)簇的形核位置、形核概率、生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)方向以及遷移路徑等。通過(guò)對(duì)演化過(guò)程中原子軌跡和能量變化的分析，揭示應(yīng)變對(duì)空位團(tuán)簇演化各階段的影響機(jī)制，明確應(yīng)變?nèi)绾胃淖冊(cè)拥臄U(kuò)散行為和相互作用，進(jìn)而影響空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演變。深入分析不同應(yīng)變條件下，銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，包括結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的條件、方式和驅(qū)動(dòng)力。研究空位團(tuán)簇在應(yīng)變作用下是否會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)重構(gòu)，以及重構(gòu)過(guò)程中原子的重排機(jī)制和能量變化。探討應(yīng)變?nèi)绾握T導(dǎo)不同結(jié)構(gòu)的空位團(tuán)簇之間發(fā)生定向轉(zhuǎn)變或可逆轉(zhuǎn)變，以及這些轉(zhuǎn)變對(duì)銅材料性能的潛在影響。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于，首次綜合考慮多種復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響，突破了以往研究多集中于單一應(yīng)變模式的局限，更貼近銅材料在實(shí)際工程應(yīng)用中的真實(shí)受力情況。將從原子尺度到介觀尺度的跨尺度研究方法引入到應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化關(guān)系的研究中，建立不同尺度之間的關(guān)聯(lián)模型，為全面理解材料微觀結(jié)構(gòu)演變提供新的視角和方法。二、相關(guān)理論與研究方法2.1銅的晶體結(jié)構(gòu)與空位團(tuán)簇基礎(chǔ)理論銅（Cu）是一種具有面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)的金屬。在面心立方結(jié)構(gòu)中，銅原子位于立方體的八個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面的中心。這種結(jié)構(gòu)使得銅原子之間具有緊密的堆積方式，原子配位數(shù)為12，即每個(gè)原子周圍有12個(gè)最近鄰的原子。面心立方結(jié)構(gòu)賦予了銅良好的延展性和導(dǎo)電性。緊密的原子堆積使得電子在晶格中能夠相對(duì)自由地移動(dòng)，從而降低了電子散射的概率，提高了電導(dǎo)率；原子間的排列方式使得晶體在受力時(shí)，原子平面之間能夠相對(duì)滑動(dòng)，表現(xiàn)出良好的塑性變形能力?？瘴粓F(tuán)簇是指由多個(gè)空位聚集在一起形成的缺陷結(jié)構(gòu)。在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，原子按照規(guī)則的晶格位置排列，但在實(shí)際的銅材料中，由于熱振動(dòng)、輻照、塑性變形等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生空位?？瘴皇蔷w中原子缺失的位置，它的存在破壞了晶體的完整性，導(dǎo)致晶格畸變。當(dāng)多個(gè)空位在一定區(qū)域內(nèi)聚集時(shí)，就形成了空位團(tuán)簇?？瘴粓F(tuán)簇的形成機(jī)制較為復(fù)雜，主要與原子的擴(kuò)散和遷移過(guò)程有關(guān)。在高溫下，原子具有較高的能量，它們能夠克服周圍原子的束縛，從一個(gè)晶格位置跳到另一個(gè)晶格位置，這種原子的跳動(dòng)會(huì)導(dǎo)致空位的產(chǎn)生和移動(dòng)。當(dāng)一些空位在熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相遇時(shí)，它們就有可能聚集在一起形成空位團(tuán)簇。在塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用也會(huì)促使空位的產(chǎn)生和聚集。位錯(cuò)是晶體中的線缺陷，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與晶格中的原子發(fā)生相互作用，使得一些原子脫離原來(lái)的位置，形成空位，這些空位隨后可能會(huì)聚集形成空位團(tuán)簇?？瘴粓F(tuán)簇的存在對(duì)銅材料的性能有著顯著的影響。在力學(xué)性能方面，空位團(tuán)簇會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度降低。這是因?yàn)榭瘴粓F(tuán)簇處的原子排列不規(guī)則，原子間的結(jié)合力減弱，在外力作用下，這些區(qū)域更容易發(fā)生滑移和變形，從而降低了材料的整體強(qiáng)度?？瘴粓F(tuán)簇還可能成為裂紋萌生和擴(kuò)展的源頭，增加材料發(fā)生脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。在電學(xué)性能方面，空位團(tuán)簇會(huì)使銅的電導(dǎo)率下降?？瘴坏拇嬖谄茐牧司Ц竦闹芷谛裕瑢?dǎo)致電子在傳輸過(guò)程中發(fā)生散射，增加了電阻，從而降低了電導(dǎo)率?？瘴粓F(tuán)簇越大，對(duì)電導(dǎo)率的影響越明顯。在熱學(xué)性能方面，空位團(tuán)簇會(huì)影響銅的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率?？瘴粓F(tuán)簇周圍的原子由于失去了相鄰原子的約束，其熱振動(dòng)幅度會(huì)增大，導(dǎo)致材料的熱膨脹系數(shù)增加；同時(shí)，空位團(tuán)簇也會(huì)阻礙聲子的傳播，降低熱導(dǎo)率。2.2應(yīng)變的基本概念與施加方式應(yīng)變是指物體在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)相對(duì)位置發(fā)生改變而引起的形狀和尺寸變化，它是描述材料變形程度的物理量，通常用無(wú)量綱的比值來(lái)表示。根據(jù)變形的方式和方向，應(yīng)變可分為線應(yīng)變、切應(yīng)變和體應(yīng)變等類型。線應(yīng)變，也稱為正應(yīng)變，用于衡量材料在某一方向上的長(zhǎng)度變化。當(dāng)材料受到沿某一方向的拉力或壓力時(shí)，該方向上的線段會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短。設(shè)原始線段長(zhǎng)度為L(zhǎng)_0，變形后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則線應(yīng)變\varepsilon的表達(dá)式為\varepsilon=\frac{L-L_0}{L_0}。當(dāng)\varepsilon>0時(shí)，表示線段伸長(zhǎng)，為拉伸應(yīng)變；當(dāng)\varepsilon<0時(shí)，表示線段縮短，為壓縮應(yīng)變。在單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，若銅試樣的原始長(zhǎng)度為100mm，拉伸后長(zhǎng)度變?yōu)?02mm，則該方向上的線應(yīng)變\varepsilon=\frac{102-100}{100}=0.02。切應(yīng)變，又稱為角應(yīng)變或剪應(yīng)變，它描述的是材料在受到剪切力作用時(shí)，物體內(nèi)相互垂直的兩線段之間夾角的改變量。假設(shè)在材料中取一個(gè)微小的正方形單元，當(dāng)受到剪切力作用時(shí)，正方形的兩條相鄰邊不再保持直角，其夾角的改變量\gamma即為切應(yīng)變。切應(yīng)變通常以弧度為單位，它反映了材料內(nèi)部各層之間的相對(duì)滑動(dòng)程度。在金屬切削加工過(guò)程中，刀具對(duì)工件施加剪切力，工件材料會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)變，導(dǎo)致材料內(nèi)部的晶粒發(fā)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)。體應(yīng)變是指物體變形后單位體積的改變量。對(duì)于一個(gè)初始體積為V_0的物體，在受到外力作用后體積變?yōu)閂，則體應(yīng)變\theta的計(jì)算公式為\theta=\frac{V-V_0}{V_0}。當(dāng)\theta>0時(shí)，說(shuō)明物體體積膨脹；當(dāng)\theta<0時(shí)，表示物體體積縮小。在鍛造工藝中，對(duì)銅坯料進(jìn)行鍛造時(shí)，坯料在壓力作用下發(fā)生塑性變形，其體積可能會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)體應(yīng)變可以描述這種體積改變的程度。在本研究中，針對(duì)銅材料施加不同類型的應(yīng)變采用了以下方式：在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，通過(guò)對(duì)模擬盒子的邊界條件進(jìn)行設(shè)置來(lái)施加應(yīng)變。對(duì)于單軸應(yīng)變，在模擬盒子的某一個(gè)方向上按一定的比例因子進(jìn)行拉伸或壓縮，從而使銅原子模型在該方向上產(chǎn)生線應(yīng)變。在x方向施加拉伸應(yīng)變時(shí)，將模擬盒子在x方向的長(zhǎng)度逐漸增大，原子會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的位移，進(jìn)而在x方向上產(chǎn)生拉伸線應(yīng)變；若要施加壓縮應(yīng)變，則減小模擬盒子在x方向的長(zhǎng)度即可。施加體應(yīng)變時(shí)，通過(guò)等比例地改變模擬盒子在三個(gè)方向上的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要使銅材料產(chǎn)生體膨脹時(shí)，同時(shí)增大模擬盒子在x、y、z三個(gè)方向上的邊長(zhǎng)；若要實(shí)現(xiàn)體壓縮，則同時(shí)減小三個(gè)方向上的邊長(zhǎng)。這種方式能夠有效地模擬銅材料在均勻壓力或拉力作用下的體積變化情況，為研究體應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響提供了有效的手段。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)，采用組合加載的方式。通過(guò)在不同方向上按不同的比例和順序施加應(yīng)變，來(lái)模擬實(shí)際工程中銅材料可能承受的復(fù)雜受力情況。先在x方向施加一定比例的拉伸應(yīng)變，然后在y方向施加一定程度的壓縮應(yīng)變，從而使銅原子模型處于一種雙軸不等值的復(fù)雜應(yīng)變狀態(tài)。這種復(fù)雜應(yīng)變的施加方式能夠更真實(shí)地反映銅材料在實(shí)際服役環(huán)境中的受力狀態(tài)，有助于深入研究復(fù)雜應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的綜合影響。2.3研究方法選擇與介紹本研究綜合運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N方法，從不同角度深入探究應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的影響。分子動(dòng)力學(xué)模擬是基于牛頓力學(xué)原理，通過(guò)對(duì)體系中原子的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解，來(lái)模擬原子在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得體系的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息。在本研究中，選擇分子動(dòng)力學(xué)模擬方法具有多方面的優(yōu)勢(shì)。它能夠在原子尺度上對(duì)銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析，提供原子層面的微觀信息，這是實(shí)驗(yàn)方法難以直接獲取的。可以精確控制模擬條件，如溫度、壓力、應(yīng)變類型和大小等，方便研究不同條件下應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇的影響，避免了實(shí)驗(yàn)中難以精確控制變量的問(wèn)題。分子動(dòng)力學(xué)模擬還可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)，有助于進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析，揭示應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化之間的內(nèi)在關(guān)系和規(guī)律。分子動(dòng)力學(xué)模擬的操作流程如下：首先，利用分子建模軟件構(gòu)建合適的銅原子模型，包括設(shè)定原子的初始位置、速度等參數(shù)，使其符合面心立方晶體結(jié)構(gòu)。在模型中按照一定的濃度和分布方式引入空位，以形成初始的空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。選擇合適的原子間相互作用勢(shì)，如嵌入原子法（EAM）勢(shì)，它能夠較好地描述銅原子之間的相互作用，準(zhǔn)確反映原子間的結(jié)合能和力的關(guān)系。設(shè)定模擬的系綜，如正則系綜（NVT）或等溫等壓系綜（NPT），確定模擬的時(shí)間步長(zhǎng)和總模擬時(shí)間。通過(guò)對(duì)模擬盒子的邊界條件進(jìn)行調(diào)整，按照預(yù)定的方式施加不同類型的應(yīng)變，如單軸應(yīng)變、體應(yīng)變或復(fù)雜應(yīng)變。在模擬過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄原子的位置、速度、能量等信息。模擬結(jié)束后，利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如團(tuán)簇尺寸、形狀、原子配位情況等，以及空位團(tuán)簇在應(yīng)變作用下的演化信息，如形核、長(zhǎng)大、遷移、合并和分解等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)研究方法是直接對(duì)實(shí)際的銅材料進(jìn)行測(cè)試和分析，能夠提供真實(shí)材料中應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的直接證據(jù)。本研究采用的實(shí)驗(yàn)方法主要包括高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察和原位拉伸實(shí)驗(yàn)。高分辨透射電子顯微鏡具有極高的分辨率，能夠直接觀察到銅材料內(nèi)部原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)，包括空位團(tuán)簇的形態(tài)、大小和分布情況。通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變條件下的銅樣品進(jìn)行HRTEM觀察，可以直觀地了解應(yīng)變對(duì)空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響。原位拉伸實(shí)驗(yàn)則是在拉伸過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察銅材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。將銅樣品安裝在拉伸設(shè)備上，在拉伸過(guò)程中利用掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，記錄空位團(tuán)簇在應(yīng)變作用下的演化過(guò)程，如空位團(tuán)簇的形核、長(zhǎng)大和與其他缺陷的相互作用等。實(shí)驗(yàn)操作流程如下：首先，制備高質(zhì)量的銅樣品，確保樣品的純度和組織結(jié)構(gòu)符合實(shí)驗(yàn)要求。采用電解精煉等方法制備高純度的銅，然后通過(guò)冷加工和退火等工藝獲得均勻的晶粒尺寸和組織結(jié)構(gòu)。對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，如切割、打磨和拋光，使其滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)試的尺寸和表面質(zhì)量要求。在樣品表面制備合適的標(biāo)記或散斑，以便在原位拉伸實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行位移和應(yīng)變的測(cè)量。將樣品安裝在原位拉伸設(shè)備上，連接好相關(guān)的測(cè)試儀器，如電子顯微鏡、引伸計(jì)等。按照預(yù)定的加載方案對(duì)樣品施加應(yīng)變，在加載過(guò)程中，利用電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察樣品內(nèi)部空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，并記錄相關(guān)的圖像和數(shù)據(jù)。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步的分析，如利用HRTEM對(duì)樣品中的空位團(tuán)簇進(jìn)行詳細(xì)的觀察和分析，確定其最終的結(jié)構(gòu)和分布特征。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，相互補(bǔ)充和完善，從而更全面、準(zhǔn)確地揭示應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的影響。三、無(wú)應(yīng)變條件下銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征與演化3.1模擬與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在無(wú)應(yīng)變條件下，為深入探究銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征與演化，本研究采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，通過(guò)精心設(shè)計(jì)模擬方案和實(shí)驗(yàn)流程，確保能夠全面、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息。在分子動(dòng)力學(xué)模擬方面，構(gòu)建了一個(gè)包含10000個(gè)銅原子的周期性模擬盒子，模擬盒子的形狀為立方體，邊長(zhǎng)根據(jù)銅的晶格常數(shù)a=0.3615nm進(jìn)行設(shè)定，以保證原子模型的合理性和準(zhǔn)確性。原子間相互作用勢(shì)選用廣泛應(yīng)用且能較好描述銅原子間相互作用的嵌入原子法（EAM）勢(shì)，該勢(shì)函數(shù)能夠精確地反映原子間的結(jié)合能和力的關(guān)系，為模擬結(jié)果的可靠性提供了保障。模擬過(guò)程設(shè)定在正則系綜（NVT）下進(jìn)行，溫度設(shè)置為300K，以模擬室溫環(huán)境下銅中空位團(tuán)簇的行為。時(shí)間步長(zhǎng)選取1fs，這是在保證計(jì)算精度和效率的前提下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和優(yōu)化確定的合適值?？偰M時(shí)間設(shè)定為1000ps，足夠長(zhǎng)的模擬時(shí)間能夠確?？瘴粓F(tuán)簇有充分的時(shí)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)演化，從而獲取其完整的演化信息。在初始模型構(gòu)建時(shí)，通過(guò)隨機(jī)移除一定數(shù)量的銅原子來(lái)引入空位，形成初始的空位團(tuán)簇。為了研究不同尺寸空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律，分別設(shè)置了空位濃度為0.1\%、0.5\%和1\%的模型，對(duì)應(yīng)不同數(shù)量的初始空位。在模擬過(guò)程中，每隔1ps記錄一次原子的位置、速度和能量等信息，以便后續(xù)對(duì)空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。在實(shí)驗(yàn)研究中，選用高純度的電解銅作為實(shí)驗(yàn)材料，其純度達(dá)到99.99\%，以減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。首先，將電解銅加工成尺寸為10mm×10mm×0.1mm的薄片樣品，通過(guò)機(jī)械打磨和化學(xué)拋光的方法對(duì)樣品表面進(jìn)行處理，使其表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，滿足高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察的要求。利用聚焦離子束（FIB）技術(shù)在樣品上制備出厚度約為50nm的TEM樣品，該技術(shù)能夠精確地在樣品特定位置制備出超薄的觀察區(qū)域，為HRTEM觀察提供了良好的樣品條件。將制備好的樣品放置在高分辨透射電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，采用低劑量電子束照射，以避免電子束損傷對(duì)樣品中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響。在觀察過(guò)程中，選取多個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行成像，記錄空位團(tuán)簇的形態(tài)、大小和分布情況。為了研究空位團(tuán)簇在無(wú)應(yīng)變條件下的演化過(guò)程，對(duì)樣品進(jìn)行原位加熱實(shí)驗(yàn)。將樣品放置在加熱臺(tái)上，以5K/min的升溫速率從室溫加熱到500K，并在加熱過(guò)程中利用HRTEM實(shí)時(shí)觀察空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，記錄空位團(tuán)簇的形核、長(zhǎng)大、遷移和合并等過(guò)程。加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行冷卻，再次觀察空位團(tuán)簇的最終結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)，與加熱前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而全面了解無(wú)應(yīng)變條件下溫度對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響。3.2空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)特征通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）實(shí)驗(yàn)，對(duì)無(wú)應(yīng)變條件下銅中空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致觀察和分析，獲得了關(guān)于空位團(tuán)簇形狀、尺寸分布等關(guān)鍵特征的重要信息。從分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果來(lái)看，在初始引入空位形成空位團(tuán)簇后，觀察到空位團(tuán)簇呈現(xiàn)出多種形狀。較小尺寸的空位團(tuán)簇，例如由3-5個(gè)空位組成的團(tuán)簇，大多近似為球形。這是因?yàn)樵谳^小規(guī)模下，空位團(tuán)簇傾向于形成具有最小表面積的結(jié)構(gòu)，以降低表面能，而球形結(jié)構(gòu)的表面積與體積之比最小，能夠使體系能量達(dá)到相對(duì)較低的狀態(tài)。隨著空位團(tuán)簇尺寸的增大，形狀逐漸變得多樣化。當(dāng)空位數(shù)量達(dá)到10-15個(gè)時(shí)，除了部分仍保持近似球形外，一些空位團(tuán)簇開始呈現(xiàn)出不規(guī)則的多面體形狀。這些多面體形狀的形成與空位團(tuán)簇內(nèi)部原子的配位情況和鍵長(zhǎng)變化有關(guān)，原子間的相互作用使得空位團(tuán)簇在生長(zhǎng)過(guò)程中，為了滿足能量最低原理，逐漸形成了具有特定原子排列方式的多面體結(jié)構(gòu)。在尺寸分布方面，模擬結(jié)果顯示，空位團(tuán)簇的尺寸分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在低空位濃度（如0.1%）的情況下，空位團(tuán)簇的尺寸相對(duì)較小，主要集中在3-8個(gè)空位的范圍內(nèi)。隨著空位濃度的增加（如0.5%和1%），較大尺寸的空位團(tuán)簇出現(xiàn)的概率逐漸增大。在1%的空位濃度下，出現(xiàn)了包含20個(gè)以上空位的較大團(tuán)簇。這表明空位濃度對(duì)空位團(tuán)簇的尺寸分布有著顯著影響，較高的空位濃度提供了更多空位聚集的機(jī)會(huì)，促進(jìn)了大尺寸空位團(tuán)簇的形成。從實(shí)驗(yàn)觀察的角度，利用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)銅樣品中的空位團(tuán)簇進(jìn)行成像分析，也得到了類似的結(jié)果。在HRTEM圖像中，清晰地觀察到了不同形狀和尺寸的空位團(tuán)簇。對(duì)于較小尺寸的空位團(tuán)簇，由于其在二維平面上的投影面積較小，呈現(xiàn)為近似圓形的暗點(diǎn)，這與模擬中觀察到的近似球形結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。當(dāng)空位團(tuán)簇尺寸較大時(shí)，其在圖像中呈現(xiàn)出復(fù)雜的形狀，包括多邊形、不規(guī)則塊狀等，與模擬結(jié)果中的多面體和不規(guī)則形狀一致。通過(guò)對(duì)大量HRTEM圖像的統(tǒng)計(jì)分析，得到了實(shí)驗(yàn)條件下空位團(tuán)簇的尺寸分布情況。在無(wú)應(yīng)變且室溫條件下，空位團(tuán)簇的尺寸分布范圍較廣，從單個(gè)空位到包含數(shù)十個(gè)空位的團(tuán)簇都有存在。大部分空位團(tuán)簇的尺寸集中在5-15個(gè)空位之間，這與分子動(dòng)力學(xué)模擬在相似條件下得到的尺寸分布結(jié)果基本相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，空位團(tuán)簇在銅樣品中的分布并非完全均勻，在晶體缺陷（如位錯(cuò)、晶界）附近，空位團(tuán)簇的密度相對(duì)較高。這是因?yàn)檫@些缺陷區(qū)域的原子排列不規(guī)則，具有較高的能量，更容易吸引空位聚集，從而形成空位團(tuán)簇。3.3隨時(shí)間演化的規(guī)律分析在無(wú)應(yīng)變條件下，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和原位加熱實(shí)驗(yàn)對(duì)銅中空位團(tuán)簇隨時(shí)間的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程進(jìn)行深入研究，揭示原子遷移、團(tuán)簇合并等現(xiàn)象背后的規(guī)律，對(duì)于理解銅材料微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化具有關(guān)鍵意義。從分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果來(lái)看，在模擬的初始階段，由于體系中存在一定的熱漲落，空位團(tuán)簇中的原子開始發(fā)生遷移。對(duì)于較小尺寸的空位團(tuán)簇，原子遷移主要表現(xiàn)為單個(gè)原子在空位團(tuán)簇表面的跳躍。一個(gè)由5個(gè)空位組成的近似球形空位團(tuán)簇，在模擬開始后的前100ps內(nèi)，團(tuán)簇表面的原子會(huì)不斷地在空位周圍進(jìn)行短距離的遷移，嘗試尋找能量更低的位置。這種原子遷移是由于熱運(yùn)動(dòng)提供的能量使得原子能夠克服周圍原子的束縛，發(fā)生位置的改變。在遷移過(guò)程中，原子的遷移方向是隨機(jī)的，受到周圍原子的分布和相互作用的影響。隨著模擬時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)不同的空位團(tuán)簇相互靠近時(shí)，團(tuán)簇合并現(xiàn)象開始出現(xiàn)。在200-300ps之間，觀察到兩個(gè)分別由8個(gè)和10個(gè)空位組成的空位團(tuán)簇逐漸靠近，它們之間的原子開始發(fā)生相互作用。最初，兩個(gè)團(tuán)簇邊緣的原子會(huì)逐漸靠近并形成一些較弱的原子鍵，隨著時(shí)間的推移，這些原子鍵逐漸增強(qiáng)，兩個(gè)團(tuán)簇逐漸融合為一個(gè)更大的空位團(tuán)簇。團(tuán)簇合并的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于體系能量的降低。合并后的大空位團(tuán)簇具有更低的表面能，因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的空位聚集在一個(gè)團(tuán)簇中，相比兩個(gè)獨(dú)立的團(tuán)簇，其表面積與體積之比更小，從而使體系的總能量降低。在較長(zhǎng)的模擬時(shí)間內(nèi)，如500-1000ps，空位團(tuán)簇會(huì)不斷地進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，以達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。較大的空位團(tuán)簇內(nèi)部會(huì)發(fā)生原子重排，一些高能位置的原子會(huì)遷移到低能位置，使團(tuán)簇內(nèi)部的原子配位更加合理。一個(gè)包含20個(gè)空位的空位團(tuán)簇，在模擬后期，團(tuán)簇內(nèi)部的原子會(huì)發(fā)生重排，原本不規(guī)則的原子排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦行虻亩嗝骟w結(jié)構(gòu)，其中原子的配位情況更加接近理想的晶體結(jié)構(gòu)，從而降低了團(tuán)簇的內(nèi)部能量。從原位加熱實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果來(lái)看，隨著溫度的升高，空位團(tuán)簇的演化速度明顯加快。在較低溫度下，如從室溫加熱到300K的過(guò)程中，空位團(tuán)簇的變化相對(duì)較小，主要表現(xiàn)為原子遷移速率的略微增加。當(dāng)溫度升高到300-400K時(shí)，空位團(tuán)簇的形核和長(zhǎng)大現(xiàn)象變得較為明顯。在樣品的某些區(qū)域，由于原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，新的空位不斷產(chǎn)生并聚集，形成了一些小的空位團(tuán)簇；同時(shí)，已有的空位團(tuán)簇也會(huì)通過(guò)吸收周圍的空位或與其他小團(tuán)簇合并而逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到400-500K時(shí)，空位團(tuán)簇的遷移和合并現(xiàn)象更加頻繁。在高分辨透射電子顯微鏡下，可以清晰地觀察到空位團(tuán)簇在晶體中快速移動(dòng)，并與其他團(tuán)簇發(fā)生合并。這是因?yàn)楦邷靥峁┝俗銐虻哪芰?，使空位團(tuán)簇能夠克服遷移過(guò)程中的能量障礙，快速地在晶體中移動(dòng)。高溫還增強(qiáng)了原子間的相互作用，促進(jìn)了團(tuán)簇合并過(guò)程中原子鍵的形成和重組。通過(guò)對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，發(fā)現(xiàn)空位團(tuán)簇的演化過(guò)程與時(shí)間和溫度密切相關(guān)。在無(wú)應(yīng)變條件下，隨著時(shí)間的推移和溫度的升高，空位團(tuán)簇的尺寸逐漸增大，結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。原子遷移是團(tuán)簇演化的基礎(chǔ)，它為團(tuán)簇合并和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了條件。團(tuán)簇合并是體系能量降低的重要途徑，通過(guò)合并，空位團(tuán)簇能夠達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)?？瘴粓F(tuán)簇的結(jié)構(gòu)調(diào)整則是在原子遷移和團(tuán)簇合并的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部原子的排列更加合理，能量更低。3.4結(jié)果討論與小結(jié)在無(wú)應(yīng)變條件下，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)特征與演化規(guī)律有了較為全面的認(rèn)識(shí)。從空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)來(lái)看，其形狀和尺寸分布呈現(xiàn)出與空位團(tuán)簇的形成機(jī)制和熱力學(xué)原理相關(guān)的特點(diǎn)。較小尺寸的空位團(tuán)簇近似球形，這是因?yàn)樵谳^小規(guī)模下，為了降低表面能，體系傾向于形成具有最小表面積的結(jié)構(gòu)，而球形的表面積與體積之比最小。隨著尺寸增大，空位團(tuán)簇形狀多樣化，出現(xiàn)不規(guī)則多面體形狀，這是由于原子間的相互作用和配位情況的變化，使得團(tuán)簇在生長(zhǎng)過(guò)程中為滿足能量最低原理，逐漸形成特定原子排列方式的多面體結(jié)構(gòu)?？瘴粷舛葘?duì)空位團(tuán)簇尺寸分布影響顯著，較高的空位濃度提供更多空位聚集機(jī)會(huì)，促進(jìn)大尺寸空位團(tuán)簇形成，這符合物質(zhì)聚集的基本規(guī)律，即濃度越高，粒子間相互作用的概率越大，越容易形成更大的聚集體。在空位團(tuán)簇隨時(shí)間的演化過(guò)程中，原子遷移、團(tuán)簇合并和結(jié)構(gòu)調(diào)整等現(xiàn)象是體系為達(dá)到更穩(wěn)定狀態(tài)而進(jìn)行的自發(fā)過(guò)程。原子遷移是團(tuán)簇演化的基礎(chǔ)，熱運(yùn)動(dòng)提供的能量使原子能夠克服周圍原子的束縛而發(fā)生位置改變，且遷移方向隨機(jī)，受周圍原子分布和相互作用影響。團(tuán)簇合并的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于體系能量的降低，合并后的大空位團(tuán)簇具有更低的表面能，這是熱力學(xué)第二定律在微觀層面的體現(xiàn)，即體系總是趨向于能量更低的狀態(tài)。隨著時(shí)間和溫度的變化，空位團(tuán)簇尺寸逐漸增大，結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，這與材料在自然狀態(tài)下的老化和退火過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化具有相似性。無(wú)應(yīng)變條件下銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化呈現(xiàn)出一定的一般性規(guī)律：空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)受空位濃度影響，尺寸和形狀分布具有特定規(guī)律；在演化過(guò)程中，原子遷移、團(tuán)簇合并和結(jié)構(gòu)調(diào)整是主要過(guò)程，且與時(shí)間和溫度密切相關(guān)，體系朝著能量降低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的方向發(fā)展。這些規(guī)律為后續(xù)研究應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響提供了重要的基礎(chǔ)和對(duì)比依據(jù)，有助于更清晰地揭示應(yīng)變作用下的特殊演化機(jī)制和規(guī)律。四、單軸應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響4.1單軸應(yīng)變加載的模擬與實(shí)驗(yàn)方案在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，構(gòu)建了一個(gè)包含20000個(gè)銅原子的周期性模擬盒子，模擬盒子呈長(zhǎng)方體形狀，其邊長(zhǎng)依據(jù)銅的晶格常數(shù)a=0.3615nm進(jìn)行精確設(shè)定，以確保原子模型與實(shí)際銅晶體結(jié)構(gòu)的高度契合。為了準(zhǔn)確描述銅原子之間的相互作用，選用嵌入原子法（EAM）勢(shì)，該勢(shì)函數(shù)在眾多銅材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究中表現(xiàn)出色，能夠精準(zhǔn)地反映原子間的結(jié)合能和力的關(guān)系。模擬在等溫等壓系綜（NPT）下開展，溫度維持在300K，以模擬實(shí)際應(yīng)用中的室溫環(huán)境，壓力設(shè)定為1atm，模擬時(shí)間步長(zhǎng)確定為1fs，經(jīng)過(guò)多次模擬測(cè)試和優(yōu)化，該時(shí)間步長(zhǎng)既能保證計(jì)算的精度，又能在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成模擬任務(wù)。總模擬時(shí)間設(shè)定為2000ps，在如此長(zhǎng)的模擬時(shí)間內(nèi)，能夠充分觀察到空位團(tuán)簇在單軸應(yīng)變作用下從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的完整演化過(guò)程。為了引入單軸應(yīng)變，在模擬過(guò)程中，對(duì)模擬盒子的某一個(gè)方向（如x方向）進(jìn)行拉伸或壓縮操作。設(shè)定應(yīng)變加載速率為1\times10^{9}s^{-1}，通過(guò)逐步改變模擬盒子在x方向的邊長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的施加。在施加拉伸應(yīng)變時(shí)，按照預(yù)定的應(yīng)變加載速率，逐漸增大模擬盒子在x方向的長(zhǎng)度，使銅原子模型在x方向上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變；若施加壓縮應(yīng)變，則以相同的速率逐漸減小模擬盒子在x方向的長(zhǎng)度。在模擬開始后的前500ps內(nèi)，將模擬盒子在x方向的長(zhǎng)度以1\times10^{9}s^{-1}的速率逐漸增大，使銅原子模型產(chǎn)生5\%的拉伸應(yīng)變。在模擬過(guò)程中，每隔10ps記錄一次原子的位置、速度、能量以及原子間的相互作用力等信息，這些豐富的數(shù)據(jù)為后續(xù)深入分析空位團(tuán)簇在單軸應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)演化提供了詳實(shí)的資料。在實(shí)驗(yàn)研究方面，選用高純度的無(wú)氧銅作為實(shí)驗(yàn)材料，其純度高達(dá)99.995\%，以最大程度減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。將無(wú)氧銅加工成標(biāo)準(zhǔn)的狗骨形拉伸試樣，試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度為10mm，標(biāo)距段直徑為5mm，通過(guò)機(jī)械加工和電化學(xué)拋光等工藝，確保試樣表面的粗糙度小于0.1\mum，滿足高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加單軸拉伸應(yīng)變，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用高精度引伸計(jì)測(cè)量試樣的應(yīng)變，引伸計(jì)的標(biāo)距為5mm，精度可達(dá)0.001\%。為了實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變條件下的測(cè)試，設(shè)定了3種應(yīng)變加載速率，分別為1\times10^{-3}s^{-1}、1\times10^{-4}s^{-1}和1\times10^{-5}s^{-1}。在每個(gè)應(yīng)變加載速率下，分別對(duì)試樣施加2\%、4\%和6\%的拉伸應(yīng)變。在加載過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄試樣的載荷-位移曲線，通過(guò)對(duì)曲線的分析，準(zhǔn)確計(jì)算出試樣在不同應(yīng)變下的應(yīng)力值。為了觀察單軸應(yīng)變作用下銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，在試樣表面制備了厚度約為50nm的薄膜，采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行切割和減薄處理，制備出用于透射電子顯微鏡（TEM）觀察的樣品。將樣品放置在高分辨透射電子顯微鏡下，在不同的應(yīng)變階段對(duì)樣品進(jìn)行觀察，記錄空位團(tuán)簇的形態(tài)、尺寸、分布以及與位錯(cuò)、晶界等其他缺陷的相互作用情況。在施加2\%應(yīng)變后，將樣品從電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上取下，利用FIB技術(shù)制備TEM樣品，然后在高分辨透射電子顯微鏡下觀察空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，并與未施加應(yīng)變時(shí)的樣品進(jìn)行對(duì)比分析。4.2不同應(yīng)變程度下的結(jié)構(gòu)變化在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，對(duì)銅原子模型施加不同程度的單軸拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變，觀察到空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著且規(guī)律的變化。在單軸拉伸應(yīng)變作用下，當(dāng)應(yīng)變程度較小時(shí)，如2%的拉伸應(yīng)變，空位團(tuán)簇的變形并不明顯，但團(tuán)簇的取向開始發(fā)生改變，逐漸向拉伸方向傾斜。從原子尺度來(lái)看，空位團(tuán)簇周圍的原子開始沿著拉伸方向發(fā)生位移，導(dǎo)致團(tuán)簇的整體形狀逐漸偏離初始的球形或多面體形狀。隨著拉伸應(yīng)變程度的增加，如達(dá)到5%時(shí)，空位團(tuán)簇的變形變得更加顯著。團(tuán)簇沿著拉伸方向被拉長(zhǎng)，逐漸呈現(xiàn)出橢球形，長(zhǎng)軸方向與拉伸方向一致。在這個(gè)過(guò)程中，空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子配位情況也發(fā)生了變化，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生調(diào)整，以適應(yīng)應(yīng)變帶來(lái)的變形。當(dāng)拉伸應(yīng)變進(jìn)一步增大到8%時(shí)，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的重構(gòu)。團(tuán)簇內(nèi)部的原子重新排列，形成了一些新的原子排列方式，部分原子之間的結(jié)合力增強(qiáng)，而部分原子之間的結(jié)合力減弱。一些原子從團(tuán)簇的表面遷移到內(nèi)部，使得團(tuán)簇的表面變得更加平滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。在單軸壓縮應(yīng)變下，應(yīng)變程度對(duì)空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響也十分明顯。當(dāng)施加2%的壓縮應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇開始發(fā)生收縮，體積減小。團(tuán)簇內(nèi)部的原子間距減小，原子之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致團(tuán)簇的穩(wěn)定性有所提高。隨著壓縮應(yīng)變程度增加到5%，空位團(tuán)簇的收縮更加明顯，形狀逐漸變得更加緊湊。此時(shí)，空位團(tuán)簇與周圍原子的相互作用也發(fā)生了變化，周圍原子對(duì)空位團(tuán)簇的擠壓作用增強(qiáng)，使得團(tuán)簇內(nèi)部的原子更加緊密地堆積在一起。當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到8%時(shí)，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。部分空位團(tuán)簇可能會(huì)與周圍的位錯(cuò)或其他缺陷發(fā)生相互作用，導(dǎo)致空位團(tuán)簇的分解或消失。在某些情況下，空位團(tuán)簇會(huì)被周圍的原子填充，使得空位團(tuán)簇轉(zhuǎn)化為完整的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，利用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)不同單軸應(yīng)變程度下的銅樣品進(jìn)行分析，得到的結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果高度一致。在低應(yīng)變程度下，空位團(tuán)簇的取向變化和輕微變形在HRTEM圖像中清晰可見。隨著應(yīng)變程度的增加，空位團(tuán)簇的拉長(zhǎng)、收縮以及結(jié)構(gòu)重構(gòu)等現(xiàn)象都能夠直觀地觀察到。在5%的拉伸應(yīng)變下，HRTEM圖像中可以看到空位團(tuán)簇呈現(xiàn)出明顯的橢球形，長(zhǎng)軸沿著拉伸方向；在8%的壓縮應(yīng)變下，能夠觀察到一些空位團(tuán)簇的分解和消失現(xiàn)象。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)模擬的可靠性，還進(jìn)一步表明了單軸應(yīng)變程度對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變化的重要影響，為深入理解應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)系提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。4.3原子遷移與結(jié)構(gòu)重排機(jī)制在單軸應(yīng)變作用下，銅中空位團(tuán)簇內(nèi)的原子遷移行為與無(wú)應(yīng)變狀態(tài)相比發(fā)生了顯著變化，呈現(xiàn)出明確的方向性和特定的路徑。在拉伸應(yīng)變條件下，原子遷移方向主要沿著拉伸方向進(jìn)行。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使晶體在該方向上的原子間距增大，原子間的結(jié)合力減弱，為原子的遷移提供了更有利的空間和驅(qū)動(dòng)力。從原子尺度來(lái)看，當(dāng)對(duì)銅原子模型施加單軸拉伸應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇周圍的原子會(huì)受到拉伸力的作用，使得部分原子克服周圍原子的束縛，沿著拉伸方向向空位團(tuán)簇內(nèi)部或表面的低能量位置遷移。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬中對(duì)原子軌跡的追蹤分析，可以清晰地觀察到原子遷移的具體路徑。一些原子會(huì)直接從空位團(tuán)簇的一側(cè)沿著拉伸方向移動(dòng)到另一側(cè)，填補(bǔ)空位，使空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；另一些原子則會(huì)先在空位團(tuán)簇表面進(jìn)行短距離的遷移，然后再逐漸向內(nèi)部移動(dòng)，參與團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的重排。在模擬中，當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，一個(gè)包含10個(gè)空位的空位團(tuán)簇，在100-200ps的時(shí)間段內(nèi)，有3個(gè)原子從團(tuán)簇的邊緣沿著拉伸方向遷移到團(tuán)簇內(nèi)部，使得團(tuán)簇的形狀逐漸向拉伸方向拉長(zhǎng)，內(nèi)部原子的排列也發(fā)生了變化。在壓縮應(yīng)變作用下，原子遷移方向則主要朝向空位團(tuán)簇的中心。這是因?yàn)閴嚎s應(yīng)變使晶體原子間距減小，原子間的相互作用力增強(qiáng)，原子傾向于向空位團(tuán)簇中心聚集，以降低體系的能量。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，當(dāng)施加單軸壓縮應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇周圍的原子會(huì)受到壓縮力的作用，向空位團(tuán)簇中心靠攏。一些原子會(huì)直接從空位團(tuán)簇的外部向中心移動(dòng)，填充空位；另一些原子則會(huì)在團(tuán)簇表面發(fā)生遷移，逐漸向中心聚集。當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，一個(gè)包含12個(gè)空位的空位團(tuán)簇，在150-250ps的時(shí)間段內(nèi)，有4個(gè)原子從團(tuán)簇表面遷移到中心，使得空位團(tuán)簇的體積減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊?？瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)重排是原子遷移的結(jié)果，其內(nèi)在機(jī)制與原子間的相互作用和能量變化密切相關(guān)。在單軸應(yīng)變作用下，原子遷移導(dǎo)致空位團(tuán)簇內(nèi)部原子的配位情況發(fā)生改變，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角也相應(yīng)調(diào)整。在拉伸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇沿著拉伸方向被拉長(zhǎng)，原子間的鍵長(zhǎng)在拉伸方向上增大，鍵角也發(fā)生變化，使得團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)逐漸從初始的球形或多面體向橢球形或長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變。在這個(gè)過(guò)程中，體系的能量發(fā)生變化，原子會(huì)通過(guò)遷移和重排，使體系的能量達(dá)到最低狀態(tài)。當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到8%時(shí)，空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子重排使得團(tuán)簇的表面能降低，內(nèi)部原子的結(jié)合更加穩(wěn)定，體系能量下降。在壓縮應(yīng)變下，空位團(tuán)簇受到擠壓，原子間的相互作用增強(qiáng)，原子通過(guò)向中心遷移和重排，使空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)更加緊密，以適應(yīng)壓縮應(yīng)變帶來(lái)的變化。在這個(gè)過(guò)程中，空位團(tuán)簇可能會(huì)與周圍的位錯(cuò)或其他缺陷發(fā)生相互作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改變。當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到8%時(shí)，部分空位團(tuán)簇與周圍的位錯(cuò)發(fā)生交互作用，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)促使空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子重新排列，使得空位團(tuán)簇分解或轉(zhuǎn)化為其他結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)重排過(guò)程是體系為了適應(yīng)應(yīng)變環(huán)境，降低能量而進(jìn)行的自發(fā)調(diào)整，對(duì)銅材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了重要影響。4.4案例分析與結(jié)果驗(yàn)證以一個(gè)包含15個(gè)空位的銅中空位團(tuán)簇為例，深入分析其在單軸應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，對(duì)該空位團(tuán)簇所在的銅原子模型施加5%的單軸拉伸應(yīng)變。模擬結(jié)果顯示，在應(yīng)變作用初期，空位團(tuán)簇周圍的原子開始沿著拉伸方向發(fā)生位移，團(tuán)簇的形狀逐漸從初始的近似多面體向拉伸方向傾斜。隨著應(yīng)變的持續(xù)施加，空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子開始發(fā)生遷移，一些原子從團(tuán)簇的邊緣向內(nèi)部移動(dòng)，填補(bǔ)空位，使得團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變。在100-200ps的時(shí)間段內(nèi)，有3個(gè)原子從團(tuán)簇的表面遷移到內(nèi)部，導(dǎo)致團(tuán)簇的體積略有減小，形狀進(jìn)一步向橢球形轉(zhuǎn)變。隨著應(yīng)變時(shí)間的延長(zhǎng)，到300-400ps時(shí)，空位團(tuán)簇沿著拉伸方向進(jìn)一步被拉長(zhǎng)，長(zhǎng)軸方向與拉伸方向一致，短軸方向略有收縮。此時(shí)，團(tuán)簇內(nèi)部的原子配位情況發(fā)生了明顯變化，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角進(jìn)行了重新調(diào)整，以適應(yīng)應(yīng)變帶來(lái)的變形。通過(guò)對(duì)原子軌跡的分析發(fā)現(xiàn)，原子遷移主要集中在團(tuán)簇的表面和與拉伸方向平行的平面內(nèi)，這些原子的遷移使得團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，形成了一種新的、更適應(yīng)拉伸應(yīng)變的結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)經(jīng)過(guò)5%單軸拉伸應(yīng)變處理的銅樣品進(jìn)行高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察。在HRTEM圖像中，可以清晰地看到一個(gè)包含15個(gè)空位的空位團(tuán)簇呈現(xiàn)出明顯的橢球形，長(zhǎng)軸方向與拉伸方向一致。通過(guò)對(duì)圖像的測(cè)量和分析，得到空位團(tuán)簇的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與短軸長(zhǎng)度之比與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果相近。進(jìn)一步對(duì)空位團(tuán)簇周圍的原子排列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原子的排列方式與模擬中觀察到的原子遷移和重排后的結(jié)構(gòu)相符。在團(tuán)簇的邊緣，原子的排列較為疏松，這是由于原子在拉伸應(yīng)變下向團(tuán)簇內(nèi)部遷移，導(dǎo)致邊緣原子密度降低；而在團(tuán)簇的內(nèi)部，原子排列相對(duì)緊密，原子間的結(jié)合力增強(qiáng)。將分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者在空位團(tuán)簇的形狀變化、原子遷移路徑以及結(jié)構(gòu)重排等方面表現(xiàn)出高度的一致性。這不僅驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法在研究單軸應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化影響方面的可靠性，也進(jìn)一步證實(shí)了之前關(guān)于單軸應(yīng)變下原子遷移和結(jié)構(gòu)重排機(jī)制的分析。通過(guò)這個(gè)具體案例，更加直觀地展示了單軸應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響過(guò)程，為深入理解應(yīng)變與空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化之間的關(guān)系提供了有力的支持。4.5結(jié)果討論與小結(jié)本部分研究通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入探究了單軸應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響。在不同應(yīng)變程度下，銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。單軸拉伸應(yīng)變下，隨著應(yīng)變程度的增加，空位團(tuán)簇從初始的近似球形或多面體逐漸向拉伸方向拉長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球形或長(zhǎng)條狀，內(nèi)部原子配位情況發(fā)生改變，原子間鍵長(zhǎng)和鍵角調(diào)整，以適應(yīng)應(yīng)變帶來(lái)的變形；單軸壓縮應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇則發(fā)生收縮，體積減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到一定程度，空位團(tuán)簇可能與周圍位錯(cuò)或其他缺陷相互作用，導(dǎo)致分解或消失。原子遷移在單軸應(yīng)變下表現(xiàn)出明顯的方向性，拉伸應(yīng)變時(shí)原子主要沿拉伸方向遷移，壓縮應(yīng)變時(shí)則朝向空位團(tuán)簇中心遷移。這種遷移行為改變了空位團(tuán)簇內(nèi)部原子的配位情況，導(dǎo)致團(tuán)簇結(jié)構(gòu)重排。結(jié)構(gòu)重排過(guò)程是體系為降低能量、適應(yīng)應(yīng)變環(huán)境而進(jìn)行的自發(fā)調(diào)整，對(duì)銅材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響。通過(guò)具體案例分析，對(duì)包含15個(gè)空位的銅中空位團(tuán)簇在5%單軸拉伸應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行深入研究，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，驗(yàn)證了模擬方法的可靠性和之前關(guān)于原子遷移、結(jié)構(gòu)重排機(jī)制分析的正確性。與無(wú)應(yīng)變條件下相比，單軸應(yīng)變顯著改變了銅中空位團(tuán)簇的演化進(jìn)程和最終結(jié)構(gòu)。無(wú)應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇主要在熱漲落作用下發(fā)生原子遷移和團(tuán)簇合并，結(jié)構(gòu)演化相對(duì)較為緩慢且無(wú)明顯方向性；而在單軸應(yīng)變作用下，應(yīng)變提供了額外的驅(qū)動(dòng)力，加速了原子遷移和團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的變化，使空位團(tuán)簇的演化更加迅速且具有明顯的方向性，朝著適應(yīng)應(yīng)變的方向發(fā)展。單軸應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化具有顯著影響，應(yīng)變程度決定了團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變化的程度和方式，原子遷移和結(jié)構(gòu)重排是其主要的演化機(jī)制，這些研究結(jié)果為理解銅材料在單軸應(yīng)變條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化和性能調(diào)控提供了重要依據(jù)。五、體應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響5.1體應(yīng)變加載的模擬與實(shí)驗(yàn)方案在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，構(gòu)建了一個(gè)包含30000個(gè)銅原子的周期性模擬盒子，模擬盒子呈正方體形狀，邊長(zhǎng)依據(jù)銅的晶格常數(shù)a=0.3615nm進(jìn)行精確設(shè)定，以確保模擬體系能夠準(zhǔn)確反映銅材料的晶體結(jié)構(gòu)特征。為了準(zhǔn)確描述銅原子之間的相互作用，選用嵌入原子法（EAM）勢(shì)，該勢(shì)函數(shù)在眾多銅材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究中表現(xiàn)出色，能夠精準(zhǔn)地反映原子間的結(jié)合能和力的關(guān)系。模擬在等溫等壓系綜（NPT）下開展，溫度設(shè)定為300K，模擬時(shí)間步長(zhǎng)確定為1fs，總模擬時(shí)間設(shè)定為3000ps。在如此長(zhǎng)的模擬時(shí)間內(nèi)，能夠充分觀察到空位團(tuán)簇在體應(yīng)變作用下從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的完整演化過(guò)程。為了引入體應(yīng)變，通過(guò)等比例地改變模擬盒子在x、y、z三個(gè)方向上的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要施加體膨脹應(yīng)變時(shí)，按照預(yù)定的應(yīng)變加載速率，同時(shí)增大模擬盒子在x、y、z方向的邊長(zhǎng)；若要施加體壓縮應(yīng)變，則以相同的速率同時(shí)減小三個(gè)方向上的邊長(zhǎng)。設(shè)定體應(yīng)變加載速率為1\times10^{9}s^{-1}，在模擬開始后的前1000ps內(nèi)，將模擬盒子在x、y、z方向的邊長(zhǎng)以1\times10^{9}s^{-1}的速率逐漸增大，使銅原子模型產(chǎn)生8\%的體膨脹應(yīng)變。在模擬過(guò)程中，每隔20ps記錄一次原子的位置、速度、能量以及原子間的相互作用力等信息，這些豐富的數(shù)據(jù)為后續(xù)深入分析空位團(tuán)簇在體應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)演化提供了詳實(shí)的資料。在實(shí)驗(yàn)研究方面，選用高純度的無(wú)氧銅作為實(shí)驗(yàn)材料，其純度高達(dá)99.995\%，以最大程度減少雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。將無(wú)氧銅加工成尺寸為10mm×10mm×10mm的正方體試樣，通過(guò)機(jī)械加工和電化學(xué)拋光等工藝，確保試樣表面的粗糙度小于0.1\mum，滿足高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求。采用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加體應(yīng)變，通過(guò)液體介質(zhì)均勻地對(duì)試樣各個(gè)表面施加壓力或拉力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用高精度應(yīng)變片測(cè)量試樣的體應(yīng)變，應(yīng)變片粘貼在試樣的多個(gè)表面，以確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量體應(yīng)變的變化。應(yīng)變片的精度可達(dá)0.001\%。為了實(shí)現(xiàn)不同體應(yīng)變條件下的測(cè)試，設(shè)定了3種體應(yīng)變加載速率，分別為1\times10^{-3}s^{-1}、1\times10^{-4}s^{-1}和1\times10^{-5}s^{-1}。在每個(gè)體應(yīng)變加載速率下，分別對(duì)試樣施加5\%、10\%和15\%的體膨脹應(yīng)變和體壓縮應(yīng)變。在加載過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄試樣的壓力-應(yīng)變曲線，通過(guò)對(duì)曲線的分析，準(zhǔn)確計(jì)算出試樣在不同體應(yīng)變下的應(yīng)力值。為了觀察體應(yīng)變作用下銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，在試樣內(nèi)部制備了用于透射電子顯微鏡（TEM）觀察的薄片，采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)對(duì)薄片進(jìn)行切割和減薄處理，制備出厚度約為50nm的TEM樣品。將樣品放置在高分辨透射電子顯微鏡下，在不同的體應(yīng)變階段對(duì)樣品進(jìn)行觀察，記錄空位團(tuán)簇的形態(tài)、尺寸、分布以及與位錯(cuò)、晶界等其他缺陷的相互作用情況。在施加10\%體膨脹應(yīng)變后，將樣品從液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上取下，利用FIB技術(shù)制備TEM樣品，然后在高分辨透射電子顯微鏡下觀察空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化，并與未施加體應(yīng)變時(shí)的樣品進(jìn)行對(duì)比分析。5.2體應(yīng)變下的空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演變?cè)隗w膨脹應(yīng)變作用下，銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演變呈現(xiàn)出獨(dú)特的過(guò)程。隨著體膨脹應(yīng)變的逐漸施加，晶體原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱，為空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化創(chuàng)造了條件。在較低體膨脹應(yīng)變階段，如5%的體膨脹應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇的尺寸開始逐漸增大。從原子尺度來(lái)看，周圍的原子由于間距增大，更容易向空位團(tuán)簇遷移，使得空位團(tuán)簇能夠捕獲更多的空位，從而實(shí)現(xiàn)尺寸的增長(zhǎng)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬觀察到，一些原本孤立的小空位團(tuán)簇開始相互靠近并合并，形成更大的空位團(tuán)簇。在模擬體系中，兩個(gè)分別包含8個(gè)和10個(gè)空位的小團(tuán)簇，在體膨脹應(yīng)變作用下，它們之間的原子間距逐漸減小，原子開始發(fā)生相互作用，最終合并成一個(gè)包含18個(gè)空位的大團(tuán)簇。當(dāng)體膨脹應(yīng)變進(jìn)一步增加到10%時(shí)，空位團(tuán)簇的形狀也開始發(fā)生顯著變化。空位團(tuán)簇不再局限于初始的近似球形或多面體形狀，而是逐漸向更不規(guī)則的形狀轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)殡S著原子間距的進(jìn)一步增大，空位團(tuán)簇內(nèi)部原子的排列方式變得更加靈活，原子間的相互作用也發(fā)生了改變，使得團(tuán)簇能夠形成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。一些空位團(tuán)簇的表面變得更加粗糙，出現(xiàn)了更多的棱角和凸起，內(nèi)部原子的配位情況也變得更加無(wú)序。在更高的體膨脹應(yīng)變下，如15%的體膨脹應(yīng)變，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變得更加不穩(wěn)定。部分空位團(tuán)簇可能會(huì)發(fā)生分解，一些原子從空位團(tuán)簇中脫離出來(lái)，重新回到晶格位置，導(dǎo)致空位團(tuán)簇的尺寸減小?？瘴粓F(tuán)簇與周圍的位錯(cuò)或其他缺陷的相互作用也變得更加頻繁，可能會(huì)導(dǎo)致空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)發(fā)生進(jìn)一步的改變。在模擬中觀察到，一個(gè)較大的空位團(tuán)簇在與位錯(cuò)相互作用后，內(nèi)部原子發(fā)生了重排，團(tuán)簇的形狀和尺寸都發(fā)生了顯著變化。在體壓縮應(yīng)變作用下，銅中空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演變則表現(xiàn)出與體膨脹應(yīng)變相反的趨勢(shì)。隨著體壓縮應(yīng)變的施加，晶體原子間距減小，原子間相互作用增強(qiáng)，空位團(tuán)簇受到擠壓，結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化。在較低體壓縮應(yīng)變階段，如5%的體壓縮應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇開始發(fā)生收縮，體積減小。團(tuán)簇內(nèi)部的原子被擠壓得更加緊密，原子間的鍵長(zhǎng)縮短，鍵角發(fā)生調(diào)整，以適應(yīng)體壓縮應(yīng)變帶來(lái)的變化。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬可以看到，空位團(tuán)簇周圍的原子向團(tuán)簇中心靠攏，使得團(tuán)簇的邊界變得更加緊湊。當(dāng)體壓縮應(yīng)變?cè)黾拥?0%時(shí)，空位團(tuán)簇的收縮更加明顯，形狀變得更加規(guī)則。團(tuán)簇內(nèi)部的原子排列更加有序，原子間的配位情況逐漸接近理想的晶體結(jié)構(gòu)。一些原本不規(guī)則的空位團(tuán)簇在體壓縮應(yīng)變的作用下，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄蛐位蚨嗝骟w形狀，以降低體系的能量。在更高的體壓縮應(yīng)變下，如15%的體壓縮應(yīng)變，部分空位團(tuán)簇可能會(huì)被周圍的原子完全填充，從而消失?？瘴粓F(tuán)簇與周圍的位錯(cuò)或其他缺陷相互作用的結(jié)果可能是被缺陷吸收，或者與缺陷合并形成新的結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)觀察中，通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡可以看到，在高體壓縮應(yīng)變下，一些空位團(tuán)簇的對(duì)比度逐漸降低，最終消失，表明它們已被周圍原子填充或與其他缺陷發(fā)生了融合。5.3結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析從熱力學(xué)角度來(lái)看，體應(yīng)變下銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力主要源于體系自由能的變化。在體膨脹應(yīng)變過(guò)程中，隨著晶體原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱，空位團(tuán)簇捕獲更多空位或與其他團(tuán)簇合并，導(dǎo)致體系的熵增加。空位團(tuán)簇尺寸增大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化使得原子排列的無(wú)序度提高，熵增對(duì)體系自由能降低起到重要作用。原子間結(jié)合力的減弱也使得空位團(tuán)簇形成能降低，進(jìn)一步推動(dòng)了團(tuán)簇的生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)變化。根據(jù)熱力學(xué)原理，體系總是趨向于自由能最低的狀態(tài)，因此在體膨脹應(yīng)變下，空位團(tuán)簇通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來(lái)降低自由能，實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)穩(wěn)定。在體壓縮應(yīng)變下，晶體原子間距減小，原子間相互作用增強(qiáng)，空位團(tuán)簇受到擠壓發(fā)生收縮。此時(shí)，體系的焓變成為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的主要驅(qū)動(dòng)力?？瘴粓F(tuán)簇收縮使得原子間的鍵長(zhǎng)縮短，鍵能增加，體系的焓降低。雖然團(tuán)簇收縮導(dǎo)致熵減小，但在體壓縮應(yīng)變條件下，焓變的影響大于熵變，體系通過(guò)空位團(tuán)簇的收縮和結(jié)構(gòu)調(diào)整，使焓降低，從而達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。從動(dòng)力學(xué)角度分析，體應(yīng)變下銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的速率受到多種因素的影響。原子的擴(kuò)散速率是決定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速率的關(guān)鍵因素之一。在體應(yīng)變作用下，原子的擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散激活能發(fā)生改變。在體膨脹應(yīng)變時(shí)，原子間距增大，原子擴(kuò)散的空間增大，但原子間結(jié)合力減弱，可能會(huì)使原子擴(kuò)散激活能降低，從而加快原子的擴(kuò)散速率。在體壓縮應(yīng)變時(shí)，原子間距減小，原子擴(kuò)散的空間減小，但原子間相互作用增強(qiáng)，原子擴(kuò)散激活能可能會(huì)增大，導(dǎo)致原子擴(kuò)散速率減慢。溫度對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速率也有顯著影響。溫度升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子具有更高的能量，能夠更容易地克服擴(kuò)散激活能，從而加快原子的擴(kuò)散速率和空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速率。在高溫下，體應(yīng)變作用下的空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變更加迅速，空位團(tuán)簇的生長(zhǎng)、合并和分解等過(guò)程更容易發(fā)生。應(yīng)變加載速率也會(huì)影響空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。當(dāng)應(yīng)變加載速率較快時(shí)，原子來(lái)不及充分?jǐn)U散和調(diào)整位置，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可能會(huì)受到抑制。在快速體膨脹應(yīng)變加載時(shí)，空位團(tuán)簇可能無(wú)法及時(shí)捕獲更多空位或與其他團(tuán)簇合并，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不完全。而當(dāng)應(yīng)變加載速率較慢時(shí)，原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和重排，空位團(tuán)簇能夠更充分地進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。5.4特殊結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象的研究在體應(yīng)變作用下，銅中空位團(tuán)簇出現(xiàn)了一些特殊的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，為深入理解材料微觀結(jié)構(gòu)演變提供了新的視角。在體膨脹應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)，觀察到一種由多個(gè)空位團(tuán)簇相互連接形成的鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)。這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是在體膨脹應(yīng)變使得晶體原子間距增大的過(guò)程中，原本孤立的空位團(tuán)簇之間的原子遷移變得更加容易，一些原子從一個(gè)空位團(tuán)簇遷移到另一個(gè)空位團(tuán)簇，從而將它們連接起來(lái)形成了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）實(shí)驗(yàn)都清晰地觀察到了這種特殊結(jié)構(gòu)。在模擬體系中，當(dāng)體膨脹應(yīng)變達(dá)到12%時(shí)，多個(gè)包含8-10個(gè)空位的小團(tuán)簇通過(guò)原子橋連接形成了鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇；在HRTEM圖像中，也可以看到類似的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，由多個(gè)暗點(diǎn)（代表空位團(tuán)簇）通過(guò)原子鏈連接在一起。這種鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，顯著影響了材料的性能。由于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的存在，材料內(nèi)部形成了一些連續(xù)的缺陷通道，使得電子在傳輸過(guò)程中更容易發(fā)生散射，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率進(jìn)一步降低。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)也會(huì)影響材料的力學(xué)性能，它可能成為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先路徑，降低材料的強(qiáng)度和韌性。在體壓縮應(yīng)變下，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的空位團(tuán)簇與位錯(cuò)相互作用形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。當(dāng)體壓縮應(yīng)變使得空位團(tuán)簇與位錯(cuò)相互靠近時(shí)，位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與空位團(tuán)簇的應(yīng)力場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致空位團(tuán)簇被位錯(cuò)捕獲。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)使得空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子發(fā)生重排，形成了一種由位錯(cuò)環(huán)繞空位團(tuán)簇的特殊結(jié)構(gòu)。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，當(dāng)體壓縮應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，觀察到一個(gè)位錯(cuò)與一個(gè)包含15個(gè)空位的空位團(tuán)簇相互作用，位錯(cuò)逐漸環(huán)繞空位團(tuán)簇，空位團(tuán)簇內(nèi)部的原子在位錯(cuò)的作用下發(fā)生重排，形成了一種穩(wěn)定的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制與位錯(cuò)和空位團(tuán)簇的應(yīng)力場(chǎng)分布密切相關(guān)。位錯(cuò)周圍存在著彈性應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)空位團(tuán)簇進(jìn)入位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)范圍時(shí)，空位團(tuán)簇受到位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的作用，原子發(fā)生遷移和重排?？瘴粓F(tuán)簇也會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，使得位錯(cuò)在捕獲空位團(tuán)簇后，運(yùn)動(dòng)變得更加困難。這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響較為復(fù)雜，一方面，它可能會(huì)提高材料的局部硬度，因?yàn)槲诲e(cuò)和空位團(tuán)簇的相互作用使得原子排列更加緊密；另一方面，它也可能會(huì)增加材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料更容易發(fā)生塑性變形和開裂。5.5結(jié)果討論與小結(jié)本部分通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，深入探討了體應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響。在體膨脹應(yīng)變下，空位團(tuán)簇尺寸逐漸增大，形狀從近似球形或多面體向更不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)變，高應(yīng)變下可能分解；體壓縮應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇收縮，形狀更規(guī)則，高應(yīng)變下部分可能被填充或與缺陷相互作用而消失。從熱力學(xué)角度，體膨脹應(yīng)變時(shí)，體系熵增和空位團(tuán)簇形成能降低是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力；體壓縮應(yīng)變時(shí)，體系焓變起主導(dǎo)作用，空位團(tuán)簇通過(guò)收縮降低焓值以達(dá)到熱力學(xué)穩(wěn)定。動(dòng)力學(xué)方面，原子擴(kuò)散速率、溫度和應(yīng)變加載速率等因素影響結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速率。原子擴(kuò)散在體膨脹應(yīng)變下可能加快，體壓縮應(yīng)變下可能減慢；溫度升高會(huì)加快結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；應(yīng)變加載速率過(guò)快會(huì)抑制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，過(guò)慢則使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變更充分。還發(fā)現(xiàn)了體應(yīng)變下的特殊結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，如體膨脹應(yīng)變時(shí)的鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)，它降低了材料電導(dǎo)率，影響力學(xué)性能；體壓縮應(yīng)變下的空位團(tuán)簇與位錯(cuò)相互作用形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)材料局部硬度、應(yīng)力集中和塑性變形等性能產(chǎn)生復(fù)雜影響。與單軸應(yīng)變情況相比，二者有相似之處，都能使空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響原子遷移和結(jié)構(gòu)重排；但也存在明顯差異。單軸應(yīng)變具有方向性，使空位團(tuán)簇在應(yīng)變方向上發(fā)生明顯變形，原子遷移也具有方向性；而體應(yīng)變是各向同性的，對(duì)空位團(tuán)簇的影響在三個(gè)方向上同時(shí)體現(xiàn)，導(dǎo)致空位團(tuán)簇的尺寸、形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)在整體上發(fā)生改變。單軸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇主要向應(yīng)變方向拉長(zhǎng)或在壓縮時(shí)沿應(yīng)變方向收縮；體應(yīng)變下，空位團(tuán)簇在體膨脹時(shí)尺寸增大、形狀復(fù)雜，體壓縮時(shí)收縮、形狀規(guī)則化。體應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化具有顯著影響，通過(guò)改變體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使空位團(tuán)簇發(fā)生一系列結(jié)構(gòu)變化，并產(chǎn)生特殊結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象，這些研究結(jié)果為理解銅材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化和性能調(diào)控提供了重要依據(jù)。六、應(yīng)變影響銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的綜合比較與機(jī)制探討6.1單軸應(yīng)變與體應(yīng)變影響的對(duì)比分析單軸應(yīng)變與體應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響存在多方面的差異，從結(jié)構(gòu)變化特征、原子遷移與結(jié)構(gòu)重排機(jī)制、對(duì)材料性能的影響以及特殊結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象等角度進(jìn)行對(duì)比分析，能夠更全面地理解不同應(yīng)變類型對(duì)銅中空位團(tuán)簇的作用規(guī)律。在結(jié)構(gòu)變化特征方面，單軸應(yīng)變具有明顯的方向性。以單軸拉伸應(yīng)變?yōu)槔瘴粓F(tuán)簇會(huì)沿著拉伸方向被拉長(zhǎng)，逐漸從初始的近似球形或多面體轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球形或長(zhǎng)條狀，其長(zhǎng)軸方向與拉伸方向一致，短軸方向則可能略有收縮。這種結(jié)構(gòu)變化主要是由于在單軸拉伸應(yīng)變下，晶體在拉伸方向上的原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱，使得空位團(tuán)簇在該方向上更容易發(fā)生變形。在5%的單軸拉伸應(yīng)變下，包含10個(gè)空位的空位團(tuán)簇，其長(zhǎng)軸方向的尺寸明顯增加，短軸方向尺寸略有減小，形狀由近似球形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球形。體應(yīng)變是各向同性的，對(duì)空位團(tuán)簇的影響在三個(gè)方向上同時(shí)體現(xiàn)。在體膨脹應(yīng)變時(shí)，空位團(tuán)簇尺寸逐漸增大，這是因?yàn)榫w原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱，周圍原子更容易向空位團(tuán)簇遷移，使得空位團(tuán)簇能夠捕獲更多空位，從而實(shí)現(xiàn)尺寸增長(zhǎng)。空位團(tuán)簇的形狀也會(huì)變得更加不規(guī)則，這是由于原子間距增大使得空位團(tuán)簇內(nèi)部原子排列方式更加靈活，原子間相互作用改變，導(dǎo)致團(tuán)簇結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。當(dāng)體膨脹應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，原本近似球形的空位團(tuán)簇表面變得粗糙，出現(xiàn)更多棱角和凸起，內(nèi)部原子配位情況更加無(wú)序。在體壓縮應(yīng)變下，空位團(tuán)簇則發(fā)生收縮，體積減小，形狀變得更加規(guī)則。這是因?yàn)樵娱g距減小，原子間相互作用增強(qiáng)，空位團(tuán)簇受到擠壓，內(nèi)部原子被擠壓得更加緊密，原子間鍵長(zhǎng)縮短，鍵角調(diào)整，以適應(yīng)體壓縮應(yīng)變帶來(lái)的變化。當(dāng)體壓縮應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，一些原本不規(guī)則的空位團(tuán)簇逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄蛐位蚨嗝骟w形狀，內(nèi)部原子排列更加有序，原子間配位情況接近理想晶體結(jié)構(gòu)。從原子遷移與結(jié)構(gòu)重排機(jī)制來(lái)看，單軸應(yīng)變下原子遷移具有明確的方向性。在單軸拉伸應(yīng)變時(shí)，原子主要沿著拉伸方向遷移，這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使晶體在該方向上的原子間距增大，為原子遷移提供了更有利的空間和驅(qū)動(dòng)力。原子遷移導(dǎo)致空位團(tuán)簇內(nèi)部原子配位情況改變，原子間鍵長(zhǎng)和鍵角調(diào)整，從而使團(tuán)簇結(jié)構(gòu)重排。在單軸壓縮應(yīng)變時(shí)，原子則主要朝向空位團(tuán)簇中心遷移，這是由于壓縮應(yīng)變使原子間距減小，原子間相互作用力增強(qiáng)，原子傾向于向空位團(tuán)簇中心聚集，以降低體系能量。體應(yīng)變下原子遷移方向相對(duì)較為復(fù)雜。在體膨脹應(yīng)變時(shí)，原子遷移方向主要是從周圍向空位團(tuán)簇內(nèi)部遷移，以填充空位，使空位團(tuán)簇尺寸增大。原子的遷移路徑較為分散，因?yàn)樵诟飨蛲缘捏w膨脹應(yīng)變下，原子可以從不同方向向空位團(tuán)簇遷移。在體壓縮應(yīng)變時(shí)，原子則是從空位團(tuán)簇表面向中心遷移，使空位團(tuán)簇收縮。原子遷移過(guò)程中，空位團(tuán)簇內(nèi)部原子通過(guò)重排來(lái)適應(yīng)體應(yīng)變帶來(lái)的變化，在體壓縮應(yīng)變下，原子重排使空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)更加緊密，內(nèi)部原子配位更加有序。對(duì)材料性能的影響上，單軸應(yīng)變和體應(yīng)變也存在差異。單軸應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致材料性能在應(yīng)變方向上出現(xiàn)明顯的各向異性。在單軸拉伸應(yīng)變下，材料在拉伸方向上的強(qiáng)度和硬度可能會(huì)降低，因?yàn)榭瘴粓F(tuán)簇在該方向上的變形和結(jié)構(gòu)變化會(huì)削弱原子間的結(jié)合力。材料的電導(dǎo)率也會(huì)受到影響，由于空位團(tuán)簇的變形導(dǎo)致電子散射增加，電導(dǎo)率會(huì)下降。體應(yīng)變對(duì)材料性能的影響相對(duì)較為均勻。在體膨脹應(yīng)變下，材料的密度會(huì)降低，這是由于晶體原子間距增大導(dǎo)致體積膨脹。材料的電導(dǎo)率會(huì)下降，因?yàn)榭瘴粓F(tuán)簇尺寸增大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化會(huì)增加電子散射。在體壓縮應(yīng)變下，材料的密度會(huì)增加，原子間相互作用增強(qiáng)，材料的強(qiáng)度和硬度可能會(huì)提高。但如果體壓縮應(yīng)變過(guò)大，導(dǎo)致空位團(tuán)簇與位錯(cuò)等缺陷相互作用，可能會(huì)增加材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，反而降低材料的韌性。在特殊結(jié)構(gòu)與現(xiàn)象方面，單軸應(yīng)變下可能會(huì)出現(xiàn)一些與應(yīng)變方向相關(guān)的特殊結(jié)構(gòu)。在較大的單軸拉伸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇可能會(huì)形成一些沿著拉伸方向排列的鏈狀結(jié)構(gòu)，這些鏈狀結(jié)構(gòu)是由于原子在拉伸方向上的遷移和聚集形成的。而體應(yīng)變下則出現(xiàn)了一些獨(dú)特的特殊結(jié)構(gòu)，如體膨脹應(yīng)變達(dá)到一定程度時(shí)形成的鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)，以及體壓縮應(yīng)變下空位團(tuán)簇與位錯(cuò)相互作用形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能產(chǎn)生了特殊的影響，鏈?zhǔn)娇瘴粓F(tuán)簇結(jié)構(gòu)會(huì)降低材料電導(dǎo)率，影響力學(xué)性能；空位團(tuán)簇與位錯(cuò)相互作用形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)則對(duì)材料局部硬度、應(yīng)力集中和塑性變形等性能產(chǎn)生復(fù)雜影響。6.2應(yīng)變影響結(jié)構(gòu)演化的普適性規(guī)律總結(jié)綜合單軸應(yīng)變和體應(yīng)變的研究結(jié)果，應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化具有顯著影響，且呈現(xiàn)出一定的普適性規(guī)律。應(yīng)變的施加會(huì)顯著改變銅中空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)。在無(wú)應(yīng)變條件下，空位團(tuán)簇的形狀和尺寸分布遵循一定的熱力學(xué)規(guī)律，較小尺寸的空位團(tuán)簇近似球形，隨著尺寸增大，形狀趨于多樣化。而在應(yīng)變作用下，空位團(tuán)簇的初始結(jié)構(gòu)會(huì)迅速響應(yīng)應(yīng)變的作用發(fā)生改變。單軸應(yīng)變使空位團(tuán)簇在應(yīng)變方向上發(fā)生明顯的變形，拉伸應(yīng)變導(dǎo)致團(tuán)簇沿應(yīng)變方向拉長(zhǎng)，壓縮應(yīng)變使團(tuán)簇沿應(yīng)變方向收縮；體應(yīng)變則使空位團(tuán)簇在整體上發(fā)生尺寸和形狀的改變，體膨脹應(yīng)變下團(tuán)簇尺寸增大、形狀復(fù)雜，體壓縮應(yīng)變下團(tuán)簇收縮、形狀規(guī)則化。這種初始結(jié)構(gòu)的改變是由于應(yīng)變打破了空位團(tuán)簇原本的原子間平衡狀態(tài)，原子間的相互作用力和原子的位置發(fā)生調(diào)整，以適應(yīng)應(yīng)變帶來(lái)的變化。原子遷移和結(jié)構(gòu)重排是應(yīng)變影響銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的關(guān)鍵過(guò)程。在應(yīng)變作用下，原子遷移具有明確的方向性，單軸應(yīng)變時(shí)原子遷移方向與應(yīng)變方向相關(guān)，拉伸應(yīng)變下原子沿拉伸方向遷移，壓縮應(yīng)變下原子朝向空位團(tuán)簇中心遷移；體應(yīng)變時(shí)原子遷移方向與體應(yīng)變的類型有關(guān)，體膨脹應(yīng)變下原子從周圍向空位團(tuán)簇內(nèi)部遷移，體壓縮應(yīng)變下原子從空位團(tuán)簇表面向中心遷移。原子遷移導(dǎo)致空位團(tuán)簇內(nèi)部原子的配位情況發(fā)生改變，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角調(diào)整，從而引發(fā)空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)重排。結(jié)構(gòu)重排過(guò)程是體系為降低能量、適應(yīng)應(yīng)變環(huán)境而進(jìn)行的自發(fā)調(diào)整，使空位團(tuán)簇逐漸從初始結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦m應(yīng)應(yīng)變狀態(tài)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。應(yīng)變程度對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的程度和方式起著決定性作用。隨著應(yīng)變程度的增加，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)變化更加顯著。在單軸應(yīng)變下，較小的應(yīng)變可能僅引起空位團(tuán)簇的輕微變形和取向改變，而較大的應(yīng)變則會(huì)導(dǎo)致團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，內(nèi)部原子重新排列，形成新的結(jié)構(gòu)形式。在體應(yīng)變下，較低的體膨脹應(yīng)變可能使空位團(tuán)簇尺寸增大，形狀略微改變，而較高的體膨脹應(yīng)變則可能導(dǎo)致團(tuán)簇分解；較低的體壓縮應(yīng)變使團(tuán)簇收縮，較高的體壓縮應(yīng)變可能使團(tuán)簇被填充或與缺陷相互作用而消失。這表明應(yīng)變程度的增加會(huì)增強(qiáng)應(yīng)變對(duì)空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的影響，促使結(jié)構(gòu)發(fā)生更劇烈的變化。應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響還與時(shí)間和溫度密切相關(guān)。在一定的應(yīng)變條件下，隨著時(shí)間的推移，空位團(tuán)簇有足夠的時(shí)間進(jìn)行原子遷移和結(jié)構(gòu)重排，結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。溫度的升高會(huì)增加原子的熱運(yùn)動(dòng)能量，加快原子的遷移速率，從而加速空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。在高溫下，應(yīng)變作用下的空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變更加迅速，更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而在低溫下，原子遷移速率較慢，空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化相對(duì)緩慢。應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化具有顯著影響，其普適性規(guī)律包括改變初始結(jié)構(gòu)、引發(fā)原子遷移和結(jié)構(gòu)重排、應(yīng)變程度決定結(jié)構(gòu)變化程度和方式以及與時(shí)間和溫度密切相關(guān)等方面。這些規(guī)律的揭示為深入理解銅材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化和性能調(diào)控提供了重要依據(jù)，有助于在材料設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中，通過(guò)合理控制應(yīng)變條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，從而優(yōu)化銅材料的性能。6.3內(nèi)在機(jī)制的深入探討與模型構(gòu)建應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化影響的內(nèi)在物理機(jī)制涉及多個(gè)層面的相互作用和能量變化。從原子尺度來(lái)看，應(yīng)變改變了原子間的相互作用力和原子的平衡位置。在單軸應(yīng)變下，如單軸拉伸應(yīng)變，晶體在拉伸方向上的原子間距增大，原子間的結(jié)合力減弱。這使得空位團(tuán)簇周圍的原子更容易克服周圍原子的束縛，發(fā)生遷移。原子遷移的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于應(yīng)變導(dǎo)致的原子間勢(shì)能變化，原子傾向于向勢(shì)能更低的位置遷移，以降低體系的能量。在體應(yīng)變作用下，無(wú)論是體膨脹應(yīng)變還是體壓縮應(yīng)變，都會(huì)改變晶體的原子間距和原子間相互作用。體膨脹應(yīng)變使原子間距增大，原子間結(jié)合力減弱，空位團(tuán)簇更容易捕獲周圍的空位，從而導(dǎo)致尺寸增大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；體壓縮應(yīng)變使原子間距減小，原子間相互作用增強(qiáng)，空位團(tuán)簇受到擠壓，發(fā)生收縮和結(jié)構(gòu)調(diào)整。這種原子間相互作用的改變是空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的重要內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。從能量角度分析，應(yīng)變作用下空位團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程伴隨著體系能量的變化?？瘴粓F(tuán)簇的形成能和結(jié)合能在應(yīng)變作用下發(fā)生改變，從而影響團(tuán)簇的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變化。在單軸拉伸應(yīng)變下，空位團(tuán)簇的形成能隨著應(yīng)變程度的增加而降低，這使得空位團(tuán)簇更容易形成和長(zhǎng)大。這是因?yàn)槔鞈?yīng)變使原子間的距離增大，原子間的結(jié)合力減弱，形成空位團(tuán)簇所需的能量降低。體膨脹應(yīng)變也會(huì)使空位團(tuán)簇的形成能降低，促進(jìn)團(tuán)簇的生長(zhǎng)；而體壓縮應(yīng)變則會(huì)使空位團(tuán)簇的形成能增加，當(dāng)形成能超過(guò)一定閾值時(shí)，空位團(tuán)簇可能會(huì)分解或被周圍原子填充。為了更準(zhǔn)確地描述應(yīng)變對(duì)銅中空位團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演化的影響，嘗試構(gòu)建基于原子間相互作用和能量變化的理論模型。該模型以分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)