2017 Fiscal Year Research-status Report
デジタル画像相関法と結晶塑性解析を駆使した金属材料のマルチスケール変形挙動の解明
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17K06858
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
宅田 裕彦 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (20135528)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浜 孝之 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (10386633)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 結晶塑性有限要素法 / 粗大結晶粒材 / デジタル画像相関法 / 不均一変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２９年度は，特にデジタル画像相関法による粗大結晶粒金属の変形挙動分析手法の確立を目的として研究を進めた．得られた主な成果を箇条書きに示す．
（１）数mmの平均結晶粒径を持つ純チタン材を対象に検討した．粒径が非常に大きいため，結晶粒界が目視でも観察可能である．粗大結晶粒金属の塑性変形挙動をデジタル画像相関法により観察、分析するためには，測定視野において(a)十分の解像度が得られること，(b)厚さ方向変形場の一様性を保つことができること，(c)不均一変形を詳細に観察できるように十分な塑性変形を与えられること、が重要である．そこで，本供試材において上記の条件を可能の限り満足する実験条件を検討した．その結果，後述するデジタルカメラの解像度も鑑みて，最適試験片形状としてゲージ部が長さ20mm，幅12mmである厚さ3mmのダンベル型板状試験片が見出された．そこで本研究では，この試験片形状を基準として用いることとする．また，走査型電子顕微鏡により供試材の結晶方位分布を測定した．
（２）デジタル画像相関法により結晶粒内の変形を高精度に計測するための測定条件を検討した．まず，試験片形状と関連する空間分解能および変形速度と関連する時間分解能の観点から，デジタルカメラおよびテレセントリックレンズを選定した．本研究では2次元の測定を基本条件とするが，粗大結晶粒材では測定視野全体としては結晶方位の分布に起因して大きな表面あれが発生する可能性がある．そこで，表面あれ発展の様子を詳細に観察するため，3次元のデジタル画像相関法システムを整備した．
（３）前述の試験片および測定条件により，粗大結晶粒純チタン板の引張試験中の変形挙動をデジタル画像相関法により観察した．その結果，結晶粒ごとでの変形様式の違いやひずみの局所化，すべり線などを，平均引張ひずみが５%程度に至るまで観察することに成功した．
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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
平成２９年度当初の研究実施計画で挙げた，（１）粗大結晶粒材の準備，（２）結晶方位分布の測定，（３）測定条件の決定、を予定どおり実施した．またこの他，粗大結晶粒工業用純チタン材における不均一変形の測定も実施したことで，当初の予定では平成３０年度に行う予定だった内容も一部達成した．一方，平成２９年度は工業用純チタン材に注力したため，その他の金属材料については着手していない．以上の結果を総合的に鑑みて，【おおむね順調に進展している】と判定した．
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| Strategy for Future Research Activity |
前述のように，研究進捗の都合上，平成２９年度は当初予定から一部で実施内容を入れ替えて研究を進めた．これに伴い平成３０年度も，当初予定から一部実施内容を入れ替えて行う．具体的な内容を以下に示す．
（１）アルミニウム合金（面心立方金属）や鉄鋼（体心立方金属）など，純チタン（六方最密金属）とは異なる結晶構造を持つ材料についても粗大結晶粒試験片の作成を試みる．特にアルミニウム合金においては，事前調査の結果，予ひずみを付与した後に適切な条件で熱処理することで，簡便に粗大結晶粒材が得られることが明らかとなった．そこで，本研究に資する粗大結晶粒材が得られる適切な条件を検討する．
（２）上述の方法によれば，粗大化する前の通常粒径アルミニウム合金材を用いて基礎的な材料試験を行うことができる．そこで，単純引張/圧縮試験，反転負荷試験，二軸引張試験，せん断試験などを行うことで，素材の基本的な材料特性を取得するとともに，結晶塑性解析で必要となる材料パラメータの同定を行う．一方，平成２９年度に用いた純チタン材については通常粒径材の入手ができないため，文献値に基づいて材料パラメータの同定を行う．
（３）粗大結晶粒材の結晶塑性有限要素法解析の準備を進める．解析には，これまで申請者らが開発を進めてきた結晶塑性有限要素法解析プログラムを用いる．まず，デジタル画像に基づいて，試験片および結晶粒の形状を模擬した有限要素モデルを作成する．結晶粒内のメッシングには，解析精度の観点から汎用のメッシングソフトを活用する予定である．モデル上の各結晶粒に対して走査型電子顕微鏡により測定した結晶方位情報を割り当てることで，粒形状および結晶方位を模擬したモデルを作成する．
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| Causes of Carryover |
ひずみゲージの発注を予定していたが，100枚単位でまとめて発注する方が単価が安いことが判明した．購入予定だった枚数は少数で，一部は研究室で所有していた残りのひずみゲージで賄えることが分かったため，次年度使用額と新年度予算とを合わせてまとめて次年度に購入することにした．なお，この変更により研究の進展には影響は全くないことを申し添える．
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