2017 Fiscal Year Research-status Report
材料科学とミクロ計算力学によるナノ伸線加工技術の開発
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16K05994
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
齋藤 賢一 関西大学, システム理工学部, 教授 (90294032)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 伸線加工 / 分子動力学 / 計算力学 / 鉄鋼材料 / 摩擦・潤滑 / マルチスケール解析 / Peridynamics / 塑性加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、金属材料の塑性加工法の一つである伸線（引抜き）加工に関して、ミクロスケールからの新しい技術展開となる「ナノ伸線加工」の可能性を追求する。(1)原子レベルからの微視組織制御、(2)ダイスとの潤滑性能向上、(3)破壊メカニズムなどの伸線加工・伸線材における諸問題を材料科学・計算力学アプローチによってミクロスケール側から理論的に取り扱う。主なる方法論は分子動力学(MD)シミュレーションおよびその関連技術であり、原子一つ一つの運動を直接計算して現象を理解していくという特色がある。
本年度は以下の成果を得た。
まず、上記(1)の研究項目について、セメンタイト分解などのパーライト鋼で生じると考えられるミクロ機構を理解すべく、前年に引き続きフェライトとセメンタイトの2層からなるパーライト鋼モデルを用いたMD計算モデルを用いて、2体間ポテンシャルとより高精度な多体間ポテンシャルでの結果を得て検討した(H29.6学会発表,H29.10国際会議発表,H30.5,6に学会発表予定)。また、ナノ伸線でのキーとなる転位構造の発生機構の解明とその制御に関して、サイズアップしたMDモデルを用いて転位増殖・反応の機構を検討した（H30.5,6に学会発表予定、H30.7月に国際会議発表予定）。
また、上記(2)に関して、伸線ダイスへナノテクスチャリングを付加し加工摩擦減少の可能性とその現象解明を行った(H29.5,11に学会発表,H29.10国際会議発表）。
さらに、上記(3)の項目について、MD解析のマクロバージョンとも呼ばれるPeridynamics理論の導入を進め、MDとの融合によるマルチスケール解析への発展を試みた。ナノインデンテーション試験などでMD計算と連携した弾塑性モデルの構築などを行い、今後の伸線加工への適用の見通しを得た（Ｈ29.9（2件）に学会発表、H29.10に国際会議発表）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画時の目標であった、原子レベルでの伸線加工における問題点や今まで見出されていなかったナノスケールでの機構などの新知見が継続的に得られており、ナノ伸線加工の実現のための道筋（ロードマップ）が前年よりもさらに鮮明になってきている。
また、パーライト鋼モデルのような産業上重要な実際に近い計算モデルに対して解析精度の向上および大規模な計算モデルの運用が可能になりつつあり、実験に見合った現象解明そのものが順調に進展している。
また、現実の伸線で問題となっているダイスと線材間の界面での潤滑機構に関して、トライボロジー分野でのテクスチャリングの概念をナノサイズに適用したナノテクスチャリングという新技術として発表・提案する段階に至っており、その物理的機構の解明も順調に進んでいる。以上のように、本研究テーマがもつ新規性（発見）も多く認められつつあり当初の計画以上に成果が上がっていると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究成果を踏まえ、引き続き分子動力学(MD)解析技術の高精度化と解析スケールのアップを行っていく必要がある。
前者に関しては、今までよりもさらにシンプルかつ本質を押さえた単結晶・多結晶モデルにてナノサイズでの（伸線を中心とした）塑性加工原理を追求する。さらに、実際に産業上の伸線加工の対象材料となっているパーライト鋼に引き続き着目し、そのMDモデルの高精度化を進める。具体的には、構成する鉄原子と炭素原子の間のポテンシャル関数の特性を再度評価し直し、新たに第1原理計算を導入することでより精密な物性値の情報をMD解析に取り込んでいく予定である。
後者については、現在進行中であるMDのマクロスケール版とも呼ばれるPeridynamics理論に基づくマクロ粒子法的な解析とそのスキルアップをさらに進めていく。前年度の時点でPeridynamicsシミュレーションを各種の塑性変形・塑性加工の解析に用いる目途がついたので、今まで対象とした他材料（SiC）への異なる変形モード(インデンテーション）に対する状況から、伸線加工モデルへ移行する。
また前年に引き続き、MDとPeridynamicsの間のマルチスケール的な融合のための理論の構築と実装（融合の理論は米国研究者がすでに試みらておりアドバイスをもらう予定）を進めるべく、それに必要な情報収集と解析スキルも増進していく。
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| Causes of Carryover |
（理由）
予定していた研究発表のうちの幾つかを次年度に変更したため、旅費を繰り越すことになった。また、記憶装置や表示装置といった計算機の周辺機器の追加を予定していたが、研究テーマでの使用の都合として本テーマのまとめ年となり計算量とその頻度がさらに上がると予想される次年度において購入して使用するのが効率的で妥当であると考えるに至った。
（使用計画）
次年度に繰り越した研究発表に対する旅費として利用する。また、前年度設置した計算サーバ―の周辺機器の整備のための物品購入を行う。また、研究テーマのまとめに向けた費用（論文発表や資料整理）に対して支出する。
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