2017 Fiscal Year Research-status Report

Nano-scale analysis and micro-scale formulation on crystal grain dynamics

Research Project

Project/Area Number	17K06042
Research Institution	Yamagata University
Principal Investigator	上原拓也山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50311741)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	結晶粒界 / 分子動力学 / 変形挙動 / 塑性変形
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，ナノ－マイクロをつなぐ粒界ダイナミクス理論の構築を目的とし，ナノスケールおよびマイクロスケールでの粒界モデルの作成，解析およびそれらの統一的理解を目指している．このうち，本年度は，結晶粒界のナノスケールモデリング，および粒界挙動のナノスケール解析として，４結晶粒から成る多結晶モデルを作成し，引張りおよび圧縮負荷をかけたときの変形挙動について，分子動力学シミュレーションを行った．まず，粒界モデルの作成については，結晶構造はfcc, 結晶粒の形状はx-y断面において正方形を４つの正方形小領域に分割したモデルを想定し，x, y方向，および厚さ方向となるz方向のすべてに周期境界条件を与えることとした．結晶方位については，(001)面内の回転角度により，任意に設定可能とし，それぞれの結晶粒に異なる方位を与えることによって粒界が作成される．現状では正方形の４結晶粒モデルのみであるが，結晶粒の形状と配置のバリエーションを増やすべく改良を行っている．粒界挙動のシミュレーションとしては，いくつかの代表的な方位を設定し，様々な組み合わせによって異なる性質をもつ粒界を作成して解析を行った．このモデルに引張りおよび圧縮の負荷をかけた結果，いずれの場合にも弾性変形の後，応力が急激に減少する降伏現象がみられた．このとき，結晶粒界を起点として転位とみられる線状の欠陥が発生し，すべりとみられる面上の欠陥に発展する様子が観察された．また，このようなメカニズムは粒界モデルによって異なり，明確な線欠陥がみられないまま，面欠陥が進展することもあり，全体の応力変化に大きく影響していることを明らかにした．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の研究計画に沿い，結晶粒界のナノスケールモデリングと，粒界挙動のナノスケール解析を実施することができていることから，おおむね計画通りに順調に進展しているといえる．ただし，当初計画では，新規ワークステーションを購入し，様々な粒界モデルについての大規模計算を開始する予定であったが，基礎的な解析ツールの作成にやや時間を要したため，新規ワークステーションの購入は次年度に持ち越している．計画した解析については，既存の計算機を利用して開始しており，大きな遅れではないため，おおむね順調に進展しているといえる．
Strategy for Future Research Activity	今後は，本年度に開始しているナノスケール解析について，様々な粒界モデルを用いた解析を行い，粒界を起点とする塑性変形の発生，発展機構を明らかにし，粒界構造との関係を明確にしていく．また，これらの知見をもとに，粒界挙動をマイクロスケールで表現するダイナミクスモデルの構築を進める．手法としてはフェーズフィールドモデルを用いるが，従来のフェーズフィールドモデルでは，結晶粒に番号をつけ，それらを識別する程度であったのに対し，改良モデルでは，上述のナノスケール解析によって抽出されたキーパラメータを含む形式でモデル化し，基礎式を構築する．３０年度においては，そのベースモデルを作成し，マイクロスケールでの変形解析を行う．これによって多結晶体の力学特性を評価し，実験データを含む従来研究との比較によって妥当性を検証する．これらの結果については，ナノスケールのモデリングと解析へとフィードバックをかけながらマイクロスケールモデルの改良を行い，粒界のマイクロスケールダイナミクスに関する理論体系を完成させる．
Causes of Carryover	新規ワークステーションを購入し，様々な粒界モデルについての大規模計算を開始する予定であったが，基礎的な解析ツールの作成にやや時間を要したため，新規ワークステーションの購入を次年度に持ち越したため．