2020 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling-based investigation of mechanism of kink deformation and strengthening
| Project Area | Materials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle- |
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| Project/Area Number |
18H05480
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
君塚 肇 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60467511)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
板倉 充洋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (90370353)
只野 裕一 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (00346818)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 硬質・軟質層状構造 / キンク形成・強化 / 原子論的解析 / 大規模第一原理計算 / 高次勾配結晶塑性論 / 結晶塑性有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，最終目標であるミルフィーユ構造におけるキンク形成・強化のメカニズム解明に向けて，構造制御型（単相）および組織制御型（多結晶，共晶合金）の金属系ミルフィーユ構造から高分子系，セラミックス系ミルフィーユ構造にも対象を広げ，基軸となる手法の構築・検証および計算コードの整備を実施するとともに，実験班から供与された知見を適宜活用してキンク形成過程のモデル化を実施し，キンクが力学特性・強化に与える影響の検討を進めた．具体的には，以下の5項目について研究を遂行した．
(1) セラミックス系ミルフィーユ構造におけるキンク形成のメカニズムとその支配因子を明確化するため，Ti3(Si,Al)C2系MAX相単結晶を対象に，その塑性変形の素過程を原子シミュレーションにより解析した．その結果，底面転位の活動と整列，ならびに層間剥離の協調によるキンク形成の原子スケール描像を明らかにした．
(2) 原子スケールのキンク構造が材料強化に対して与える影響を明らかにすることを目的に，大規模第一原理計算を活用し，Mg-Y-Zn系LPSO構造中で転位が配列したキンク界面に対する原子論的解析を実施した．
(3) 多様なキンク形態や境界条件におけるキンク強化を定量的に評価することを目的に，高次勾配結晶塑性メッシュフリー法を活用して，複数のキンク形態とキンク強化の相関について数値解析を実施した．
(4) 組織制御型ミルフィーユ構造におけるキンク帯形成機構を明らかにするため，積層構造を有する共晶合金を対象とした結晶塑性有限要素解析を展開した．
(5) 金属系ミルフィーユ構造中の溶質クラスタの形成キネティクスの温度依存性を明らかにすることを目的として，置換型合金中のナノ析出物の核生成挙動を記述するための熱力学的解析の枠組みを構築した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究を遂行するにあたり，「キンク形成原子論解析用並列計算機増設モジュール」，「キンク形成原子論解析用可視化ワークステーション」（名古屋大学），「キンク構造解析装置（キンク電子構造可視化端末）」（日本原子力研究開発機構），「キンク形成マルチスケール解析用並列計算機」（佐賀大学）を導入し，研究基盤を整備した．また，キンクの形成過程の解析およびキンクが力学特性・強化に与える影響の解析に際して，領域内の計画班，公募班の関連研究者間で研究会を計4回実施し，実験的知見に基づく結晶幾何学的モデルや応力－ひずみ特性等の情報提供を受けるとともに，計算材料科学の立場から検証が必要なモデルケースおよび物性値に関して議論・検討した．コロナ禍のために対外活動が制限されるなか，オンライン開催による国内の関連学協会において発表・議論することに加えて，異分野学会主催の研究会等の機会を活用して情報発信を行うなど，研究成果の広報活動を展開した．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，これまでに構築した研究基盤に立脚し，以下に挙げる課題に取り組む．これらは種々のミルフィーユ構造におけるキンク形成からキンク強化に至るメカニズムを解明するための重要な因子であり，他班と連携研究を進める上での基盤的知見となる．この取り組みにより実験的知見と理論的知見の橋渡しを担うことで各グループの連携を促し，領域研究に貢献する．
(1) 空間・時間を粗視化したシミュレーション手法を活用した，高分子系・セラミックス系ミルフィーユ構造の塑性変形素過程の温度・応力依存性の評価，ならびに原子・分子レベルの微視的情報に基づくキンクの形成過程とその力学的要件の解明．
(2) 大規模第一原理計算を活用した，転位列周辺での溶質原子クラスタの成長および移動・再配列に関するエネルギー論的評価，ならびに溶質クラスタによる転位のピン止め強さの評価とそれがキンク強化に与える影響の検討．
(3) 高次勾配結晶塑性メッシュフリー法を活用した，キンク強化に適したキンク形態の模索を目的とした体系的解析の実施，ならびに実験データに基づくより現実的なキンク形態と境界条件を考慮したキンク強化に関する定量的検討．
(4) 結晶塑性有限要素法を活用した，実験と対応付けられた形での組織制御型ミルフィーユ構造のキンク帯形成に関する数値解析の実現と系統的なパラメータスタディの実施，ならびにキンク形成の影響因子の定量的評価．
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[Journal Article] Elastic isotropy originating from heterogeneous interlayer elastic deformation in a Ti3SiC2 MAX phase with a nanolayered crystal structure2021
Author(s)
R. Liu, M. Tane, H. Kimizuka, Y. Shirakami, K. Ikeda, S. Miura, K. Morita, T. S. Suzuki, Y. Sakka, L. Zhang, T. Sekino
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Journal Title
Journal of the European Ceramic Society
Volume: 41
Pages: 2278-2289
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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