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Modeling-based investigation of mechanism of kink deformation and strengthening

Planned Research

Project AreaMaterials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle-
Project/Area Number 18H05480
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionNagoya University (2019-2022)
Osaka University (2018)

Principal Investigator

君塚 肇  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60467511)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 板倉 充洋  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (90370353)
只野 裕一  佐賀大学, 理工学部, 准教授 (00346818)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥85,930,000 (Direct Cost: ¥66,100,000、Indirect Cost: ¥19,830,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000)
Fiscal Year 2020: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000)
Fiscal Year 2019: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000)
Fiscal Year 2018: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000)
Keywordsキンク形成・強化 / 硬質・軟質層状構造 / スケール横断モデリング / 電子・原子論 / 結晶塑性論 / 原子論的解析 / 大規模第一原理計算 / 高次勾配結晶塑性論 / 結晶塑性有限要素解析 / 加速分子動力学法
Outline of Annual Research Achievements

今年度は,最終目標であるミルフィーユ構造におけるキンク形成・強化のメカニズム解明に向けて,構造制御型(単相)および組織制御型(多結晶,共晶合金)の金属系ミルフィーユ構造を中心に,基軸となる手法の構築・検証を継続しながら,実験班から供与された知見を適宜活用してキンク形成過程のモデル化を実施し,キンクが力学特性・強化に与える影響の検討を進めた.具体的には,以下の5項目について研究を遂行した.
(1) 金属系ミルフィーユ構造におけるキンク形成のメカニズムとその支配因子を明確化するため,Cu/Nbナノラメラ構造を対象に,その塑性変形の素過程を原子シミュレーションにより解析した.
(2) Mg基ミルフィーユ構造におけるキンク形成メカニズムを議論する上での基礎となるキンク周辺の原子構造を明らかにするため,Mg-Y-Zn系において溶質元素が積層欠陥上でクラスタを形成し配列する過程を,第一原理計算により評価したエネルギー論に基づく動的モンテカルロ法により解析した.
(3) キンク強化に適したキンク形態の模索と種々のキンクがキンク強化に及ぼす影響の定量的検討を目的に,高次勾配結晶塑性メッシュフリー法を活用して,複数のキンク形態がキンク強化に及ぼす影響を定量的に評価するための数値解析を実施した.
(4) ミルフィーユ構造等の層状構造体におけるキンク形成機構を明らかにすることを目的として,領域内の他班において実験的に共晶合金のキンク帯形成を調査している研究者と情報共有し,実験に対応する解析モデルに基づく結晶塑性有限要素解析を実施した.
(5) 第一原理計算によりTi3AlC2系MAX相の層間の弾性不均質性を解析するとともに,MAX相の塑性変形を担う底面刃状転位の芯構造および易動性を離散変分Peierls-Nabarroモデル,分子静力学計算等に基づき定量評価した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究を遂行するにあたり,「キンク形成原子論解析用並列計算機増設モジュール」(名古屋大学),「キンク構造データ作成装置」(日本原子力研究開発機構),「キンク強化マルチスケール解析用並列計算機」(佐賀大学)を導入し,研究基盤を整備した.また,キンクの形成過程の解析およびキンクが力学特性・強化に与える影響の解析に際して,領域内の計画班,公募班の関連研究者間で研究会を計6回実施し,実験的知見に基づく結晶幾何学的モデルや応力-ひずみ特性等の情報提供を受けるとともに,計算材料科学の立場から検証が必要なモデルケースおよび物性値に関して議論・検討した.コロナ禍のために対外活動の制限が継続するなか,オンライン開催による国内・海外の関連学協会において発表・議論することを通じて,研究成果の広報活動を展開した.

Strategy for Future Research Activity

次年度は,これまでに構築した研究基盤に立脚し,他班と連携研究を進めながら以下に挙げる課題に取り組む.この取り組みにより,実験的知見と理論的知見の橋渡しを志向しながら種々のミルフィーユ構造におけるキンク形成・強化のメカニズムを明らかにし,領域研究に貢献する.
(1) 全原子/粗視化分子動力学法を活用した,金属系・高分子系・セラミックス系ミルフィーユ構造のキンク形成過程の温度・応力依存性の評価,ならびにキンクの導入による層状構造体の力学特性の変化の解明.
(2) 大規模第一原理計算を活用した,転位列周辺での溶質元素の分解・再構成による再配置過程のエネルギー論的評価,ならびに溶質クラスタによる転位の固着とそれがキンク強化に与える影響の検討.
(3) 高次勾配結晶塑性メッシュフリー法を活用した,幾何学的硬化と格子欠陥がキンク強化の及ぼす影響に関する定量的評価,ならびにキンク形態・境界条件とキンク強化の相関の一般化を目的とした体系的調査.
(4) 結晶塑性有限要素法を活用した系統的な数値解析による,層状構造体におけるキンク形成機構に及ぼす影響因子の解明,ならびに,班内連携によりキンク強化に関する数値解析結果を考慮した,キンク導入材の後続変形負荷解析の実施.

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(104 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (23 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 21 results,  Open Access: 5 results) Presentation (80 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results,  Invited: 18 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Nucleation kinetics of the beta'' precipitate in dilute Mg-Y alloys: A kinetic Monte Carlo study2022

    • Author(s)
      H. Liao, H. Kimizuka, A. Ishii, J.-P. Du, S. Ogata
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 210 Pages: 114480-1-4

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.114480

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Short-range order clusters in the long-period stacking/order phases with an intrinsic-I type stacking fault in Mg-Co-Y alloys2022

    • Author(s)
      K. Guan, M. Egami, D. Egusa, H. Kimizuka, M. Yamasaki, Y. Kawamura, E. Abe
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 207 Pages: 114282-1-6

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.114282

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Formation of <0001>-rotation-type kink boundary in Mg-Zn-Y alloy with long-period stacking ordered structure2021

    • Author(s)
      M. Yamasaki, T. Mayama, T. Matsumoto, K. Hagihara, D. Drozdenko, Y. Kawamura
    • Journal Title

      Materials Science and Engineering: A

      Volume: 819 Pages: 141466-1-17

    • DOI

      10.1016/j.msea.2021.141466

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Elastic isotropy originating from heterogeneous interlayer elastic deformation in a Ti3SiC2 MAX phase with a nanolayered crystal structure2021

    • Author(s)
      R. Liu, M. Tane, H. Kimizuka, Y. Shirakami, K. Ikeda, S. Miura, K. Morita, T. S. Suzuki, Y. Sakka, L. Zhang, T. Sekino
    • Journal Title

      Journal of the European Ceramic Society

      Volume: 41 Pages: 2278-2289

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.026

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 時効硬化型アルミニウム合金におけるGuinier-Prestonゾーンの核生成の原子論的モデリング2021

    • Author(s)
      君塚肇, 三好宙, 石井明男, 尾方成信
    • Journal Title

      まてりあ

      Volume: 60 Pages: 467-474

    • DOI

      10.2320/materia.60.467

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Density functional theory study of solute cluster growth processes in Mg-Y-Zn LPSO Alloys2021

    • Author(s)
      M. Itakura, M. Yamaguchi, D. Egusa, E. Abe
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 203 Pages: 116491-1-9

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2020.116491

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  • [Journal Article] Plastic Flow Direction of Polycrystalline Magnesium2021

    • Author(s)
      Y. Tadano
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: 62 Pages: 88-97

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2020262

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  • [Journal Article] Competing nucleation of single- and double-layer Guinier-Preston zones in Al-Cu alloys2021

    • Author(s)
      H. Miyoshi, H. Kimizuka, A. Ishii, S. Ogata
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 4503-1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-021-83920-8

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  • [Journal Article] Generalized slip operation factor considering contribution of secondary slip systems2021

    • Author(s)
      Y. Kawano, T. Mayama, M. Mitsuhara, S. Yamasaki, M. Sato
    • Journal Title

      Materials Today Communications

      Volume: 26 Pages: 102041-1-13

    • DOI

      10.1016/j.mtcomm.2021.102041

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  • [Journal Article] Enhanced non-linearity during unloading by LPSO phase in as-cast Mg-Zn-Y alloys and slip-dominated non-linear unloading mechanism2020

    • Author(s)
      K. Shiraishi, T. Mayama, M. Yamasaki, Y. Kawamura
    • Journal Title

      Materials Science and Engineering A

      Volume: 790 Pages: 139679-1-14

    • DOI

      10.1016/j.msea.2020.139679

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  • [Journal Article] Quantitative evaluation of slip activity in polycrystalline α-titanium considering non-local interactions between crystal grains2020

    • Author(s)
      Y. Kawano, M.Sato, T. Mayama, M. Mitsuhara, S. Yamasaki
    • Journal Title

      International Journal of Plasticity

      Volume: 127 Pages: 102638-1-16

    • DOI

      10.1016/j.ijplas.2019.12.001

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    • Author(s)
      眞山剛, 大橋鉄也
    • Journal Title

      軽金属

      Volume: 70 Pages: 167-173

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      眞山剛
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      Volume: 70 Pages: 244-251

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    • Author(s)
      H. Miyoshi, H. Kimizuka, A. Ishii, S. Ogata
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 179 Pages: 262-272

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.08.032

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    • Author(s)
      君塚肇
    • Journal Title

      軽金属

      Volume: 69 Pages: 471-478

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    • Author(s)
      K. Takagi, T. Mayama, Y. Mine, K. Takashima
    • Journal Title

      Journal of Alloys and Compounds

      Volume: 806 Pages: 1384-1393

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2019.07.344

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    • Author(s)
      Tsuyoshi Mayama, Masakazu Tane, Yuichi Tadano
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 165 Pages: 62-72

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2018.11.037

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      Yuichi Tadano
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      Key Engineering Materials

      Volume: 794 Pages: 65-70

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/KEM.794.65

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      Key Engineering Materials

      Volume: 794 Pages: 214-219

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/KEM.794.214

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      Tsuyoshi Mayama, Masakazu Tane, Yuichi Tadano
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      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1063 Pages: 12047-1-12047-4

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1063/1/012047

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      Transactions of JSME

      Volume: 84 Pages: 17-00559

    • DOI

      10.1299/transjsme.17-00559

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      Yoshiki Kawano, Tetsuya Ohashi, Tsuyoshi Mayama, Ryoji Kondou
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      Journal of Mechanical Sciences

      Volume: 146-147 Pages: 475-485

    • DOI

      10.1016/j.ijmecsci.2017.09.023

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      Scripta Materialia

      Volume: 142 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2017.08.012

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      日本金属学会2021年春期講演大会
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    • Invited
  • [Presentation] MAX相セラミックスおよび高分子ラメラ相におけるキンク形成過程の分子動力学解析2021

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      君塚肇
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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    • Invited
  • [Presentation] 第一原理に基づいたアルミニウム合金中のナノ析出物形成のマルチスケールモデリング2020

    • Author(s)
      君塚肇
    • Organizer
      日本材料学会マルチスケール材料力学部門第69期第2回部門委員会
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    • Invited
  • [Presentation] 高分子系およびセラミックス系ミルフィーユ構造のキンク形成における変形素過程の微視的解析2020

    • Author(s)
      君塚肇
    • Organizer
      日本金属学会2020年秋期講演大会
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    • Invited
  • [Presentation] Ti3SiC2 MAX相単結晶の弾性特性2020

    • Author(s)
      多根正和, 劉茹霞, 君塚肇, 白紙悠之, 池田賢一, 三浦誠司, 森田孝治, 鈴木達, 目義雄, 関野徹
    • Organizer
      日本金属学会2020年秋期講演大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] キンク帯内外の方位差とキンク強化の相関に関する高次勾配結晶塑性解析2020

    • Author(s)
      只野裕一, 嘉村大二郎, 萩原世也
    • Organizer
      第25回計算工学講演会
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  • [Presentation] Higher-order gradient crystal plasticity analysis of plastic deformation around kink band2020

    • Author(s)
      D. Kamura, Y. Tadano, S. Hagihara
    • Organizer
      3rd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粒間/粒内不均一変形に起因するLPSO単相合金における除荷時の非線形挙動2020

    • Author(s)
      眞山剛, 白石一馬, 山崎倫昭, 河村能人
    • Organizer
      日本金属学会2020秋期講演大会
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  • [Presentation] ブロック共重合体ラメラ相の変形異方性とキンク形成の粗視化分子動力学計算2020

    • Author(s)
      君塚 肇
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会・共催シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] 分子動力学法を用いたマグネシウム中の{11-21}双晶の形成過程の解析2020

    • Author(s)
      木下 侑也, 岩井 佑樹, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • Organizer
      日本機械学会関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] 無拡散変態の変態経路探索の効率化のためのdimer法の改良2020

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      名田 巧, 平安山 涼, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • Organizer
      日本機械学会関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] 高分子鎖の形態変化に対する加速分子動力学手法の検討2020

    • Author(s)
      中村 淳平, 三好 宙, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • Organizer
      日本機械学会関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] 加速分子動力学法を用いたマグネシウムにおける双晶変形の温度・応力依存性解析2019

    • Author(s)
      平安山 涼, 山添 恵介, 佐藤 悠治, 新里 秀平, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • Organizer
      日本材料学会第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 固体材料分野における古典分子動力学法の基礎と応用2019

    • Author(s)
      君塚 肇
    • Organizer
      2019年度計算科学ハンズオンセミナー
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    • Invited
  • [Presentation] Ab-initio based multiscale modeling of formation kinetics of nano-precipitates in Al-Cu alloys2019

    • Author(s)
      H. Kimizuka, H. Miyoshi, A. Ishii, S. Ogata
    • Organizer
      The 6th Korea Multi-scale Mechanics Symposium (KMSM2019)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Undulation instability and kink formation of layered block copolymers: A coarse-grained molecular dynamics study2019

    • Author(s)
      H. Kimizuka
    • Organizer
      The 10th International Conference on Auxetics and Other Materials and Models with "Negative" Characteristics and 15th International Workshop on Auxetics and Related Systems (Auxetics 2019)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高分子ラメラ構造における微視的座屈とシェブロン構造形成の粗視化分子動力学解析2019

    • Author(s)
      君塚 肇
    • Organizer
      日本金属学会研究会No.82「微小領域の力学特性評価とマルチスケールモデリング」
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  • [Presentation] 高分子系ミルフィーユ構造におけるキンク形成の粗視化分子モデリング2019

    • Author(s)
      君塚 肇
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期講演大会
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    • Invited
  • [Presentation] マグネシウム系LPSO 合金析出物クラスタ中の格子間原子の安定性2019

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      板倉充洋, 山口正剛
    • Organizer
      軽金属学会第137回秋期大会
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  • [Presentation] Y8Zn6クラスタ中の格子間原子の安定性解析2019

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      板倉充洋, 山口正剛
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期講演大会
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  • [Presentation] キンク帯が導入されたLPSO相に対する高次勾配結晶塑性解析2019

    • Author(s)
      只野裕一, 嘉村大二郎, 萩原世也
    • Organizer
      第68期日本材料学会学術講演会
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  • [Presentation] 高次勾配結晶塑性メッシュフリー法によるキンク帯周辺の応力場解析2019

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      只野裕一, 嘉村大二郎, 萩原世也
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
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  • [Presentation] LPSO型マグネシウム合金のキンク形状が巨視的材料応答に及ぼす影響2019

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      只野裕一, 嘉村大二郎
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期講演大会
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  • [Presentation] LPSO型マグネシウム合金におけるキンク形態が巨視的材料挙動に及ぼす影響2019

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      只野裕一, 嘉村大二郎
    • Organizer
      M&M2019材料力学カンファレンス
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  • [Presentation] Higher-order gradient crystal plasticity analysis of magnesium including kink band2019

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      Y. Tadano, D. Kamura
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      7th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
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  • [Presentation] Underlying deformation mechanism for high energy absorption capability in porous magnesium with oriented pores: A crystal plasticity finite element study2019

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      T. Mayama, M. Tane, Y. Tadano
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      ICMM6 (International Conference on Material Modelling)
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  • [Presentation] Influence of texture on energy absorption capability in porous magnesium with oriented pores2019

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      T. Mayama, M. Tane, Y. Tadano
    • Organizer
      SIPS2019 (Sustainable Industrial Processing Summit & Exhibition)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 複相マグネシウム合金における格子ひずみ発達機構2019

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      眞山剛, 高山隼太郎, 諸岡聡, G. Wu, S. Harjo, 山崎倫昭, 河村能人
    • Organizer
      日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス
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  • [Presentation] 強い塑性異方性を持つ金属材料におけるバウシンガー効果の発現機構2019

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      眞山剛, 白石一馬, 山崎倫昭, 河村能人
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      日本機械学会M&M2019材料力学カンファレンス
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  • [Presentation] α-Mg/LPSO二相合金鋳造材における格子ひずみ発達機構2019

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      高山隼太郎, 眞山剛, 諸岡聡, G. Wu, S. Harjo, 山崎倫昭, 河村能人
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      日本金属学会2019年秋期講演大会
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  • [Presentation] 結晶のすべりと回転に起因する格子ひずみ発達の数値的評価2019

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      眞山剛
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期講演大会
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  • [Presentation] MgおよびMg合金の変形挙動に関する結晶塑性解析2019

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      眞山剛
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期講演大会
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  • [Presentation] マグネシウムにおける粒内/粒間不均一変形の数値的評価2019

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      眞山剛
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      高性能マグネシウム合金創成加工研究会第75回講演会
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  • [Presentation] 高分子の緩和挙動に関する加速分子動力学解析2019

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      大依加奈, 三好宙, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
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      日本機械学会関西学生会平成30年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] 原子シミュレーションに用いる結晶方位解析手法の開発2019

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      黒崎亮介, 山添恵介, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
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      日本機械学会関西学生会平成30年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] Mg中の<a>転位の底面・柱面間の交差すべり機構に関する原子論的解析2019

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      君塚肇, 福井浩毅, 尾方成信
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      日本金属学会2019年春期講演大会
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      日本金属学会2019年春期講演大会
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      日本金属学会2019年春期講演大会
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      H. Kimizuka and S. Ogata
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      君塚肇
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      日本金属学会2019年春期講演大会・公募シンポジウムS1「ミルフィーユ構造の材料科学II」
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  • [Presentation] 第一原理計算に基づくTi-V合金のマルテンサイト変態機構に関する原子論的解析2018

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      市岡航平, 三好宙, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
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      T. Mayama, M. Tane, Y. Tadano
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    • Author(s)
      河村能人, 千野靖正監修, 只野裕一, 眞山剛他
    • Total Pages
      338
    • Publisher
      シーエムシー出 版
    • ISBN
      978-4-7813-1505-8
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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-12-28  

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