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Disclination-based crystal plasticity model and mess-free analysis at large deformation for strengthening of LPSO/Mg alloys

Research Project

Project/Area Number 20K04165
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Shizawa Kazuyuki  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80211952)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
KeywordsLPSO型Mg二相合金 / 有限変形理論 / 結晶塑性Cosseratモデル / キンク帯 / 回位密度 / 転位密度 / 強度発現機構 / 寸法効果 / Mg基LPSO二相合金 / メッシュフリー法 / LPSO相 / キンク / 結晶塑性
Outline of Research at the Start

長周期積層構造(LPSO)を有するマグネシウム(Mg)合金は,微視的な塑性座屈であるキンク帯形成に端を発する材料強化によって飛躍的に性能を向上させ得る.しかしながら,キンク帯の形成機構および形成条件は十分に解明されておらず,従来のせん断モード(転位の移動,蓄積)に加えて回転性の塑性変形機構(回位の移動,蓄積)を考慮したモデルの構築が期待されている.本研究では,転位に加えて回転性の結晶欠陥である回位を考慮した大変形結晶塑性モデルを構築し,高次ひずみこう配の解析に適するメッシュフリー法を用いてLPSO型Mg二相合金におけるキンク帯形成およびその後の強化の再現を可能とする数値解析手法を確立する.

Outline of Final Research Achievements

The mechanical properties of Mg dual-phase alloys with long-period stacking ordered (LPSO) phase are significantly enhanced by the formation of fine kink bands. In this study, to clarify the strengthening mechanism owing to the kink bands, the Cosserat model was formulated in the framework of crystal plasticity based on finite deformation theory and a new material model was developed, in which the accumulation of dislocations and the generation of disclinations were simultaneously considered. Using the obtained model, a mesh-free analysis was performed for a strip-shaped tri-crystal. As a result, it was showed that when a kink band is formed by compressive loading and then reverse loading is applied, if ridge-shaped kinks tend to occur, local orientation differences and accumulated dislocations remain more, and the terminal strength is higher. In addition, the smaller the average grain size of the α-Mg phase becomes, the higher the terminal strength after reverse loading reaches.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

構造材料の軽量化と強化の立場から脱炭素社会実現に寄与する以下のような知見を得た.有限変形理論の範疇では,GN転位密度はすべりこう配のみならず回位密度にも依存する.また,試験片端部の回転を拘束できる本モデルでは,試験片寸法によらずキンク帯を再現できる.さらに,微視回転と巨視回転を独立変数としつつペナルティ法で一致させれば,C0級要素を用いたFEM解析によってメッシュフリー法と同程度の精度で計算コストを低減させ得る.加えて,底面系を荷重軸にほぼ平行に配置するとともに初期方位の不均一性を増大させ,α-Mg相を微細化すれば,圧縮後に逆負荷を加えた際,終端強度を1~3割程度増加させ得る.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] Crystal plasticity FE simulation for kink band formation in Mg-based LPSO phase using dislocation-based higher-order stress model2020

    • Author(s)
      Yuichi Kimura, Ryo Ueta, Kazuyuki Shizawa
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Journal

      Volume: 7 Issue: 4 Pages: 19-00612-19-00612

    • DOI

      10.1299/mej.19-00612

    • NAID

      130007887807

    • ISSN
      2187-9745
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] LPSO型Mg二相合金における結晶方位の初期不均一が強度に及ぼす影響に関する回位-結晶塑性FEM解析2023

    • Author(s)
      池隼佑, 志澤一之
    • Organizer
      日本材料学会第72期学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] LPSO型Mg二相合金における不均一性がキンク帯形成に及ぼす影響に関する回位-結晶塑性FEM解析2022

    • Author(s)
      池隼佑, 志澤一之
    • Organizer
      2022年度塑性加工春季講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 回位-結晶塑性Cosseratモデルに基づくLPSO短冊形二相多結晶のキンク形成に関するFEM解析2021

    • Author(s)
      高山賢人, 木村祐一, 志澤一之
    • Organizer
      日本材料学会第70期学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] LPSO型Mg合金におけるRidge形キンクが負荷-逆負荷時の加工硬化に及ぼす影響に関する回位-結晶塑性FEM解析2021

    • Author(s)
      小倉和也, 高山賢人, 志澤一之
    • Organizer
      日本機械学会第34回計算力学講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 回位-結晶塑性Cosseratモデルに基づくLPSO型Mg合金に対するキンク帯形成のメッシュフリー解析2020

    • Author(s)
      木村祐一, 只野裕一, 志澤一之
    • Organizer
      日本材料学会第6回材料WEEKワークショップ講演論文集(Web)
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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