2018 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling of solidification dynamics supported by 3D time-resolved in-situ observations
| Project/Area Number |
17H06155
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉矢 真人 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (00399601)
森下 浩平 京都大学, 工学研究科, 助教 (00511875)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
|
| Keywords | 凝固 / 結晶成長 / 鋳造 / その場観察 / 放射光 / イメージング / 相変態 / トモグラフィー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では，金属合金の凝固を定量的に理解し，凝固現象の体系化を目指している．それを実現する実験技術として，透過像による二次元観察に加えて，三次元時間分解・その場観察を可能とするX線4D-CTを開発し， Al，Fe，Ni系合金を対象に凝固組織の三次元観察を実現する．その上で界面曲率分布などのデンドライト形状の定量化，偏析形成など凝固組織形成を実証的に明らかにする．
[A] 三次元時間分解・その場観察手法の開発：昨年度の手法を発展させ，白色X線を利用した場合，時間分解0.5s以内・空間分解10ミクロンをAl合金で実現した．固相と液相のコントラストが弱いFe合金でも2-4s程度で撮影し，従来の画像処理フィルターに加えて曲率効果を反映したフェーズフィールドモデルを確立して解析に利用している．また，高空間分解能観察では，時間分解能40s程度・空間分解１ミクロンを実現し引き続き分解能の向上を図る．
[B] 凝固している組織の定量化／その場観察試料の結晶方位解析／３D観察に基づいた凝固現象のモデリング・シミュレーション：in-situの三次元構造だけでなく，結晶方位分布を測定する手法を実現した．現状では結晶粒径が数100ミクロンの固液共存体の変形を観察し，せん断帯の形成，結晶粒の回転が観察できるようになった．また，固液共存体の変形過程における結晶粒の再配列などを含めたマクロモデルの発展を図り，せん断帯の形成から偏析形成までをより現実に近い計算が可能になった．また，計算科学からのアプローチでは，凝固および相変態直後の組織形成の定量化のための，実験のジオメトリを取り入れその場観察と比較可能な自由エネルギー揺動核生成シミュレーション法を，フェーズフィールド法を基に構築した．これによりその場観察のみでは追随が困難な相変態直後の組織形成の議論が可能になり，実験にフィードバックできた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題を遂行するために不可欠である三次元時間分解・その場観察手法の開発と実験データの解析手法の開発について，2017年度に引き続いて研究を進めた．Fe合金でも最短で2sごとの三次元像の再構成が可能になった．前者ではAl合金で0.5sの高時間分解能観察（2rpsで試料が回転したCT）まで実現し，等軸晶の形成を観察した．後者では，Al合金およびFe系合金の観察において，フェーズフィールドを用いたフィルターの特徴を把握して，昨年度に比べてより精度の高い三次元組織の観察が可能になった．
凝固組織に関する時間分解の定量化では，固液界面積と固相率の関係，凝固過程における曲率の変化をAl合金，Fe合金で定量化した．試料内の結晶方位を解析する手法も実現し，固液共存体の変形過程における固相粒子の回転などを測定できる段階になった．これまでの二次元観察に加えて三次元観察が実現し，蛍光X線分析，力学測定と組み合わせた観察に基づいた定量的な凝固モデルを検討し，不均一変形による偏析形成を再現できる段階になった．
Fe系を採り上げ，4Dその場観察実験のジオメトリを計算機シミュレーションに取り入れ，核生成・成長による相変態の時間経過の追随を可能にした．これによりマッシブ的変態における同時多発的核生成が近傍の応力場の変化をもたらし，巨視的応力場の緩和をもたらしながら相変態界面にて核生成し，その直後から多発的核生成により緩和された歪場の元で粒成長が促されることを明らかにした．
以上の理由から，順調に進捗していると判断した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
2017年度，2018年度の成果を踏まえ，2019年度は下記の方向で研究を進める予定である．
[A] 三次元時間分解・その場観察手法の開発： 当初の目標をほぼ達成しつつあり，研究の中心は次の項目に移す予定である．実験手法の開発では，凝固組織の三次元解析において，より信頼性の高い解析手順を検討し，定量性が担保された解析手法の開発とその検証は引き続き行う．また，結晶方位解析では時間分解能を向上させ，固液共存体の変形過程における固相粒子の並進運動・回転運動のより精度の高いデータを獲得することを目指す．引き続き，凝固過程における相平衡関係の定量性も確保するため，二次元観察，in-situでの蛍光X線分析も積極的に利用して凝固組織形成過程の実証的・定量的解明を目指す．
|
Research Products
(37 results)
