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2011 Fiscal Year Annual Research Report

第一原理計算によるバルクナノメタルの基礎物性設計

Planned Research

Project AreaBulk Nanostructured Metals -New Metallurgy of Novel Structural Materials
Project/Area Number 22102003
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

尾方 成信  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20273584)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 香山 正憲  独立行政法人産業技術総合研究所, ユビキタスエネルギー研究部門, 上席研究員 (60344157)
Keywordsバルクナノメタル / 第一原理計算 / 力学物性 / マルチスケール解析 / 粒界 / 積層欠陥 / 転位 / 不純物
Research Abstract

本年度は、以下に列挙する基礎物性設計指針の確立に向けたより具体的な問題に取り組むとともに、
(1)前年度開発した第一原理電子状態計算における局所応力解析をさらに発展させ、応力を評価する領域を最適化することにより、粒界部での局所応力解析の精度を飛躍的に高めることができた.また、局所エネルギーを計算する枠組みを構築した。このことによりAl、Cu中めねじり粒界、傾角粒界の強度の起源を電子論から明らかにすることに成功した。
(2)バルクナノメタル(Cu、Ni結晶)の高温でのクリープ変形挙動の分子動力学法を用いた解析を実施し、変形時の結晶内部の原子挙動を詳細に検討することで、変形メカニズムが応力によって拡散によるものから転位によるものへと遷移することを確かめた。さらには、温度および応力によって変形メカニズムがどう変化するかの変形メカニズムマップを構築した。また、速度論に基づく考察から、クリープ変形時に得られるひずみ速度が、活性化体積の異なる粒界拡散、粒界移動、転位生成の3つの素過程の線形重ね合わせでほぼ説明できることを明らかにし、バルクナノメタルの変形の温度、ひずみ速度依存性に関して明確な説明を与えることに成功した。
(3)フェーズフィールド解析法を多結晶モデルを扱えるように拡張し、き裂、粒界、転位、溶質原子の拡散を同時に解析できる枠組みを構築した。この枠組みを用いて、多結晶体中のき裂進展やき裂先端からの転位放出挙動の温度依存性などを解析することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

電子状態計算に関してその計算の規模が大きく調査対象の材料が当初よりやや限られてしまっているが、一方で3年目以降に実施する予定であったフェーズフィールド解析が実施可能になった点は予定よりも進んでいる。総合して、おおむね順調であると言える。

Strategy for Future Research Activity

研究計画の大きな変更や研究遂行上の問題点もなく、順調に進捗していることから、今後も当初の予定どおり、バルクナノメタルのユニバーサルな基礎物性設計に向けて、研究を進めていく。なお、今後は実験グループとさらに連携を深め、計算結果と実験結果との摺合せを今まで以上に行うことにより、研究進展の加速を期する。

  • Research Products

    (35 results)

All 2012 2011

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (29 results)

  • [Journal Article] Grain Size Dependence of Creep in Nanocrystalline Copper by Molecular Dynamics2012

    • Author(s)
      Y.J.Wang, A.Ishii, S.Ogata
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 53 Pages: 156-160

    • DOI

      10.2320/matertrans.MD201122

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-Principles Tensile Tests of Tilt and Twist Grain Boundaries in Al2012

    • Author(s)
      R.Z.Wang, S.Tanaka, M.Kohyama
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 85 Pages: 140-146

    • DOI

      10.2320/matertrans.MD201130

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Adaptive boost molecular dynamics simulation of carbon diffusion in iron2012

    • Author(s)
      A.Ishii, S.Ogata, H.Kimizuka, J.Li
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 85 Pages: 064303-1-064303-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.85.064303

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multi-replica molecular dynamics modeling2012

    • Author(s)
      A.Ishii, H.Kimizuka, S.Ogata
    • Journal Title

      Computational Materials Science

      Volume: 54 Pages: 240-248

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2011.10.013

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transition of creep mechanism in nanocrystalline metals2011

    • Author(s)
      Y.J.Wang, A.Ishii, S.Ogata
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 84 Pages: 224102-1-224102-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.84.224102

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Slow diffusion of hydrogen at a screw dislocation core in alpha-iron2011

    • Author(s)
      H.Kimizuka, S.Ogata
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 84 Pages: 024116-1-024116-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.84.024116

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] First-Principles Local Energy and Local Stress Calculations of Metallic Grain Boundaries2012

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典
    • Organizer
      第21回日本MRS学術シンポジウム
    • Place of Presentation
      関西学院大学(兵庫県)
    • Year and Date
      2012-03-29
  • [Presentation] 材料中の粒界・界面・欠陥の局所エネルギー・局所応力の第一原理解析2012

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典、石橋章司
    • Organizer
      日本金属学会2012年春期大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2012-03-29
  • [Presentation] 材料の変形と強度のモデリングおよびシミュレーション2012

    • Author(s)
      尾方成信
    • Organizer
      日本鉄鋼協会シンポジウム
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(神奈川県)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-28
  • [Presentation] Molecular Dynamics Study of Deformation Mechanism Map of Nanostructured Metal2012

    • Author(s)
      S.Ogata, Y.J.Wang, G.J.Gao
    • Organizer
      TMS 2012
    • Place of Presentation
      米国(オーランド)
    • Year and Date
      2012-03-12
  • [Presentation] 欠陥を有するBCC鉄中の水素原子拡散挙動の解析2012

    • Author(s)
      尾方成信、君塚肇
    • Organizer
      「水素脆化研究の基盤構築」フォーラム
    • Place of Presentation
      上智大学(東京都)(招待講演)
    • Year and Date
      2012-03-02
  • [Presentation] Atomistic Modeling of Diffusion and Deformation2011

    • Author(s)
      尾方成信
    • Organizer
      第21回日本MRS学術シンポジウム
    • Place of Presentation
      横浜開港記念館(神奈川県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-12-19
  • [Presentation] ナノ結晶のクリープ変形の原子シミュレーション2011

    • Author(s)
      尾方成信
    • Organizer
      計算材料科学研究拠点第2回シンポジウム
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-12-06
  • [Presentation] Atomistic simulation on strength of bulk nanostructured metals2011

    • Author(s)
      G.J.Gao, Y.J.Wang, S.Ogata
    • Organizer
      Third International Symposium on Computational Mechanics (ISCM III)
    • Place of Presentation
      台北(台湾)
    • Year and Date
      2011-12-05
  • [Presentation] Creep mechanisms and temperature dependent entropic effect in nanocrystal2011

    • Author(s)
      Y.J.Wang, A.Ishii, S.Ogata
    • Organizer
      Materials Research Society (MRS) Fall Meeting
    • Place of Presentation
      米国(ボストン)
    • Year and Date
      2011-12-01
  • [Presentation] First-Principles Local Energy and Local Stress Calculations of Grain Boundaries2011

    • Author(s)
      M.Kohyama, S.Saitou, S.Tanaka, Y.Shiihara, S.Ishibashi
    • Organizer
      Materials Science and Innovation for Sustainable Society
    • Place of Presentation
      ホテル阪急エキスポパーク(大阪府)
    • Year and Date
      2011-11-28
  • [Presentation] 材料の変形のモデリング2011

    • Author(s)
      尾方成信
    • Organizer
      材料力学談話会
    • Place of Presentation
      大阪科学技術センター(大阪府)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-16
  • [Presentation] First-Principles Calculations of Local Energy and Local Stress in Materials Interfaces2011

    • Author(s)
      M.Kohyama, S.Saitou, S.Tanaka, Y.Shiihara, S.Ishibashi
    • Organizer
      15th International Conference on Thin Films, ICTF15
    • Place of Presentation
      京都テルサ(京都府)
    • Year and Date
      2011-11-11
  • [Presentation] 金属の積層欠陥の第一原理計算2011

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県)
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] Atomistic simulation on strength of bulk nanostructured metals2011

    • Author(s)
      G.J.Gao, Y.J.Wang, S.Ogata
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県)
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] Identifying Competing Deformation Mechanisms in Nanocrystal by Mole cular Dynamics2011

    • Author(s)
      Y.J.Wang, G.J.Gao, S.Ogata
    • Organizer
      日本金属学会2011年秋期大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県)
    • Year and Date
      2011-11-09
  • [Presentation] 固体材料中のスローダイナミクスの原子スケール解析2011

    • Author(s)
      尾方成信
    • Organizer
      日本材料学会分子動力学部門委員会公開部門委員会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-01
  • [Presentation] First-Principles Modeling of Deformation and Diffusion2011

    • Author(s)
      S.Ogata
    • Organizer
      The 14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-10-31
  • [Presentation] Atomistic simulation on strength of bulk nanostructured metals2011

    • Author(s)
      G.J.Gao, Y.J.Wang, S.Ogata
    • Organizer
      Japan-China Nano-Structure Research Workshop
    • Place of Presentation
      立命館大学(滋賀県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-10-29
  • [Presentation] Creep Mechanism Transition in Nanocrystalline Metals2011

    • Author(s)
      Y.J.Wang, G.J.Gao, A.Ishii, S.Ogata
    • Organizer
      Japan-China Nano-Structure Research Workshop
    • Place of Presentation
      立命館大学(滋賀県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-10-29
  • [Presentation] 金属中の粒界・界面の第一原理計算:局所エネルギー密度・応力密度による解析2011

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典、石橋章司
    • Organizer
      第55回日本学術会議材料工学連合講演会
    • Place of Presentation
      京都教育文化センター(京都府)
    • Year and Date
      2011-10-21
  • [Presentation] 局所エネルギー密度・応力密度による結晶粒界の第一原理解析2011

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典、石橋章司
    • Organizer
      日本機械学会第24回計算力学講演会
    • Place of Presentation
      岡山大学(岡山県)
    • Year and Date
      2011-10-08
  • [Presentation] Adaptive boosting method for accelerated molecular dynamics2011

    • Author(s)
      A.Ishii, S.Ogata, H.Kimizuka
    • Organizer
      International Symposium on Atomistic Modelling for Mechanics and Multiphysics of Materials
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)
    • Year and Date
      2011-07-22
  • [Presentation] Exploring creep mechanisms in nanocrystal by molecular dynamics2011

    • Author(s)
      Y.J.Wang, I.Tirtom, S.Ogata
    • Organizer
      International Symposium on Atomistic Modelling for Mechanics and Multiphysics of Materials
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)
    • Year and Date
      2011-07-22
  • [Presentation] Free Energy of Dislocation Nucleation from Grain Boundary at Finite Temperature2011

    • Author(s)
      I.Tirtom, Y.J.Wang, S.Ogata
    • Organizer
      International Symposium on Atomistic Modelling for Mechanics and Multiphysics of Materials
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)
    • Year and Date
      2011-07-22
  • [Presentation] Ab Initio Local Energy and Stress Applied to Grain Boundaries2011

    • Author(s)
      M.Kohyama, S.Saitou, S.Tanaka, Y.Shiihara, S.Ishibashi
    • Organizer
      International Symposium on Atomistic Modelling for Mechanics and Multiphysics of Materials
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都)
    • Year and Date
      2011-07-22
  • [Presentation] 第一原理による局所エネルギー密度・局所応力密度解析:粒界・界面への適用2011

    • Author(s)
      香山正憲、斎藤繁喜、田中真悟、椎原良典、石橋章司
    • Organizer
      材料学会第1回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-05-23
  • [Presentation] Adaptive Boost法の開発とそれを用いた鉄中炭素拡散の解析2011

    • Author(s)
      石井明男, 尾方成信, 君塚肇
    • Organizer
      材料学会第1回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府)(MD賞受賞)
    • Year and Date
      2011-05-23
  • [Presentation] レプリカ交換分子動力学法による鉄中炭素拡散現象2011

    • Author(s)
      林雄一郎, 石井明男, 尾方成信, 君塚肇
    • Organizer
      材料学会第1回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府)
    • Year and Date
      2011-05-23
  • [Presentation] First-Principles Modeling of Deformation and Diffusion at Nano-Scale2011

    • Author(s)
      S.Ogata
    • Organizer
      Int.Workshop on Nanoindentation Related Research
    • Place of Presentation
      西安(中国)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-05-20

URL: 

Published: 2013-06-26  

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