2012 Fiscal Year Annual Research Report
Study on the deformation process and macroscopic mechanical response of LPSO structures by multiscale computational mechanics
| Project Area | Materials Science of synchronized LPSO structure -Innovative Development of Next-Generation Lightweight Structural Materials- |
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| Project/Area Number |
23109009
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| Research Institution | Kitami Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大橋 鉄也 北見工業大学, 工学部, 教授 (80312445)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志澤 一之 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (80211952)
松本 龍介 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80363414)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | キンク変形 / すべり変形 / 転位 / 回位 / 初期不均一性 / マルチスケール解析 / 結晶塑性解析 / 原子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子動力学シミュレーションではMg単結晶における転位生成の活性化自由エネルギーを評価し，有限温度・実時間の下で転位の生成が可能となる分解せん断応力の見積もりを行った．また，昨年度構築した原子間ポテンシャルを用いてHCP構造およびLPSO相に類似のいくつかの構造モデルを構築し，圧縮負荷の下で生ずる格子欠陥群の構造について検討した．その結果，非底面a転位の活動等が観察され，これらが底面に交差すべりすること，いくつかの過程を経て底面に大量の刃状転位が供給されること，底面を運動した刃状転位はパイルアップせずにシャープなキンク界面を形成すること等が明らかになった．
結晶塑性解析では，LPSO相単結晶試料に内在すると考えられる物理量の初期揺らぎを数値モデルに導入し，圧縮負荷によってキンク変形が発達して行く過程が再現された．その結果，キンク変形のしやすさや，キンク変形による結晶回転量（キンクの強度）などに，底面すべりに伴うひずみ硬化の大きさ，塑性流動応力の大きさ，結晶方位揺らぎの大きさ等様々な因子が関与することが分かった．また，キンクの形成に伴って圧縮荷重の負担能力が急速に低下する不安定変形現象が観察された一方，キンク領域が多数形成されたLPSO材料では，キンク境界が底面すべりの伝播を阻止するために，試料全体としての加工硬化率の上昇につながること等が明らかにされた．すなわち，LPSO相単結晶にc軸にほぼ垂直な方向に圧縮負荷が加わると，不安定な変形現象としてのキンク変形が生ずる一方，キンク界面を高頻度に含むLPSO相は，引張負荷などに対しては逆に高いひずみ硬化をもたらす因子となる可能性が示された．
なお，本研究を進めるにあたり，昨年度において整備したソフトウエアおよび計算機ハードウエア環境の補強を行い，大規模問題にも対応可能とした．
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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
当初の研究目的としてあげた項目すなわち，原子シミュレーションでは，ひずみ速度が小さな場合の計算を行い，変形過程の詳細を検討すること，すべりにおける転位対生成の活性化エネルギーを検討すること，積層周期が変形挙動に及ぼす影響などについても検討すること，結晶塑性解析では，LPSO相に生ずるすべりの加工硬化特性とキンク形成の関係の詳細を明らかにすること，また，微視組織における初期不整や負荷状態がキンク変形発現へどのような影響を与えるかを調査すること，大規模・高速解析の検討も進めることなどは順調に検討を進めた．一方，複数のLPSO相領域間の力学相互作用の様相に関する検討すなわち，LPSO構造を有する単結晶を多結晶に拡張し，結晶粒内のキンクバンド形成に及ぼす粒拘束や結晶方位の影響に関する調査は未着手となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
１．分子動力学法を用いた検討：非底面すべり系における転位生成の活性化自由エネルギーの評価を行い，キンク変形過程における非底面転位の活動可能性について検討する．また添加元素をモデル化して導入することで，濃度変調が変形挙動に与える影響について検討を行う．
２．結晶塑性理論による検討：LPSO構造を有する単結晶を多結晶に拡張し，結晶粒内に複数のキンクバンドが形成される様子を再現するとともに，粒拘束や結晶方位がキンクバンド形成に及ぼす影響について調査する．また初期変動を含まないケースの解析を実施することにより，キンク変形の力学に関する詳細かつより一般的な検討を行う．
回位の離散的描像であるフランクベクトルと連続的描像である不適合度の関係を明らかにするとともに，キンク境界における不適合度分布と回位ダイポール形成との関係をさらに調査し，回位ダイポールテンソルの定義について検討する．また，キンク変形現象を「回位場の形成」現象に抽象化することの可能性について検討を開始する．
公募班のマイクロ試験片によるLPSO単結晶に対する引張試験結果から得られる各すべり系のCRSS値を入手し，これまで未確定であった非底面系のCRSSを用いて計算する場合，底面系の初期角度不正がどの程度必要かを再検討する．また，LPSO相に生ずる底面すべりの特徴とキンク変形模様の強弱との関係を明らかにする．さらに汎用構造解析ソフトLS-DYNAにおいて転位-結晶塑性モデル部分を計算するためのユーザサブルーチン構築を継続する．
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