2021 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical prediction of the endurance limit of nano-materials
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21K18675
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
尾方 成信 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20273584)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新里 秀平 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (10853202)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 疲労寿命 / ナノ材料 / 変形素過程 / 理論予測 / 原子論 / 破壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ材料がどのような条件で疲労破壊するのか（＝疲労限はあるのか）、いつ疲労破壊に至るのか（＝疲労寿命はいかほどか）という最も基本的かつ重要な問いに答えるべく、ナノ材料の疲労寿命予測というナノ材料実用時の課題を根本的に解決するのが本研究課題の目的である。これまでにナノ材料では欠陥生成の熱活性化過程が繰り返し負荷下での破壊の発端となるとの仮説のもと、簡便な疲労破壊開始までの時間を予測する式を導出しているが、その仮説が様々なナノ材料において正しく有効であるのかは不明である。そこで、初年度となる本年は、金属結合と共有結合という全く異なる結合状態を有し異なる延性を発現する金属ナノピラーとグラフェンシートを対象とし、これらに初期き裂を導入したモデルに対して、分子動力学法および加速分子動力学法を適用し、繰り返し負荷下における欠陥の時間発展解析を実施した。このとき、繰り返し負荷振動数、温度、応力振幅を変化させた。その結果、金属ナノピラーでは初期き裂からの転位生成、グラフェンシートでは初期き裂の進展が見られ、それぞれの結合様式を反映した異なる疲労破壊の開始形態が観察された。しかしながら、その発生までの時間はともに温度、応力振幅の上昇に伴って急速に短くなることが示され、結合様式に依らず疲労の素過程を熱活性過程として扱うことが妥当であることが示され、予測式の汎用性が確認できた。その後、繰り返し負荷をナノピラー、グラフェンシートが完全に破断するまで継続して与え、疲労破壊（破断）までのプロセスと時間を求めることに成功した。また、分子動力学解析に加えて、ナノピラーの変形実験を開始した。
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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
異なる結合様式を有するナノ材料の疲労の素過程が熱活性化過程として取り扱うことができることが示され、これまでの予測式の一般性が示され、こちらは予定通り進展している。それ加え、実験を開始することができ、この点は当初計画よりも進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、本年度得られた結果に基づき、破断までに発生する疲労素過程をすべて抽出し、それぞれが発生するまでの時間を予測する式を構築し、破断までの時間、すなわち疲労寿命予測達成にむけて研究を推進させる予定である。また、ナノ疲労実験をさらに推進する予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響で海外渡航による研究調査がすべて次年度以降へ延期となった。また、数値解析を行う計算機を導入予定であったが、初年度は当初予定よりも効率の良い解析ができ、既存計算機で対応が可能であった。当該計算機は計算量が増大する来年度以降に導入する予定である。
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