2021 Fiscal Year Research-status Report
The Smallest Fabrication of Ultra Fine Wires by using Wiredrawing Technique: Computational Mechanics Approach
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21K03759
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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) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 伸線加工 / 分子動力学 / 計算力学 / 塑性変形 / マイクロ・ナノワイヤ / 金属材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、棒・線（ワイヤ）に対する伸線加工について、計算力学シミュレーションを用いて、加工原理の追求、およびナノレベルの材料の構造・特性の変化を調べる方法論の構築を行う。具体的な材料での適用可能性も示し、今後の微細なワイヤ形状材料の製造への応用を目指す。第1度目は、以下の各内容を遂行した。
(1) 原子レベル解析を用いた伸線限界評価についての検討：純鉄（α-Fe）ワイヤの伸線加工MDモデルについて、破断を生じる線径を伸線限界と特定し、その破壊メカニズムを検討した。体心立方格子構造の単結晶α-Feワイヤに対しては、転位構造の生成が不足し塑性変形を担保するために非晶質構造が現れ、破断のメカニズムを特定した。
(2) 微細ステンレスワイヤの実験とその計算再現性に関する検討：微細ステンレスワイヤに関して、連続パスでの有限要素法（FEM）解析を実行可能とし、パス進行に伴う塑性ひずみおよび残留応力が実験での硬さ測定値の傾向と合致した。また、加工中の線材の引張試験・捻回試験をFEMシミュレーションで再現し、計算の有効性が認識された。一方、Fe‐クロム（Cr）二元系合金材料の強加工時のMDモデリングを進めた。粒界と転位の相互作用による、動的回復および微粒化（動的再結晶）等の原子レベルの現象が明確になった。Cr原子の分率、温度、せん断速度などの影響も検討し、今後のステンレス線でのMDモデルの準備が整った。
(3) 伸線加工として新材料への適用に関する知見の獲得：難加工材での伸線技術の発展を目指し、例としてナノサイズのマグネシウム（Mg）単結晶の伸線MDシミュレーションを遂行した。最密六方格子に特徴的な限定的なすべり系のみが活動し、伸線での大ひずみに対しては双晶を介した塑性変形が優位となる傾向が得られた。伸線方位の選択で双晶や転位の発生機序が変わり、転位量に線径サイズ依存性があることも見出された。
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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
第1年度の実施前から継続的に、対象とする伸線加工に関する資料収集、実験（共同研究先）との連携、計算ソフトウェアやコンピュータ機器の整備などを行ってきた。実施期間に入り研究費による新しいコンピュータ装置の導入もあり、予定していた研究代表者および補助者（研究室メンバー）による計算実行も順調に行っている。
対外発表に関して、COVID-19感染拡大リスク防止のため予定した国際会議への不参加などがあり研究者間の交流は満足いくものではなかった。しかし、オンラインでの国際会議発表の実施、国内ではオンラインも含めた幾つかの学会参加により、研究発表および討論が行えたため研究が進展した。本研究テーマを構築するための基盤はほぼ出来たと考えられ、続く第2年度に向けてさらなる研究進展が見込める。
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| Strategy for Future Research Activity |
第1年度は本研究テーマの根幹である伸線加工原理の追求と微視的解析手法の構築が、各種材料（純鉄・ステンレス・マグネシウム）について行われた。また、関連して研究室で行っているバイオ素材系ワイヤ（セルロース、コラーゲン）も含めて、ナノサイズのワイヤとその加工法に関する知見が大きく広がった。さらに、研究手法としての有限要素法（FEM）や分子動力学（MD）などの利用体制が構築され、それらの利用ノウハウも多く蓄積された。
そこで、第2年度はそれらを基礎として、より大規模かつ精密な計算モデルの作成と実行を行う予定である。また、すでに得られた計算結果には追加での解析の余地がある。例えば、大容量の計算データの人工知能（ディープラーニング）を援用した解析方法、科学的可視化（ビジュアリゼーション）を駆使した特徴量の抽出方法の検討なども積極的に進める。これらにより、伸線加工原理、各種素材の伸線限界や微視的挙動の理解、新規材料における伸線加工の可能性を、より深く理解できると考えている。
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| Causes of Carryover |
機械装置（計算サーバー）の購入など予定通りに予算を執行した。しかし、対外発表に関して海外への渡航自粛要請があったため、旅費関係は大幅に次年度に繰り越すことにした。そのため、第2年度以降では海外および国内の発表を予定よりも増やすとともに、上記の追加のデータ解析のための計算機器・ソフトウェア（データストレージの追加やFEMソフトウェア）の増強を行う予定である。
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