Modeling-based investigation of mechanism of kink deformation and strengthening

• Project Area: Materials 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University (2020); Osaka University (2018-2019)
• 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 2020)
• Budget Amount: ¥85,930,000 (Direct Cost: ¥66,100,000、Indirect Cost: ¥19,830,000); 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 / 加速分子動力学法 / 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

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，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，主として手法の構築・検証，計算機コードや計算機環境の整備を実施し，比較的単純なモデルを用いてこれらの有効性を検証した．具体的には，以下の5項目について研究を遂行した．
(1) Mg系ミルフィーユ構造のキンク形成の原子レベル解析を実施するための準備として，統計力学と遷移状態理論を援用した加速分子動力学法を構築し，本手法を実現するための計算機コードの整備を進めた．本年度は初期解析として純Mgを対象とし，キンク界面との類似性が指摘されている{11-2n}双晶に注目した塑性変形素過程解析を行った．
(2) Mg基LPSO構造の形成メカニズムならびにキンク界面の構造的特徴と化学的性質を明らかにするため，大規模第一原理計算を活用してMg中のキンクの原子構造および溶質原子との相互作用を評価した．
(3) メゾスケールにおけるキンク形成・強化のメカニズム解明を目的に，高次勾配結晶塑性論を導入したメッシュフリー解析手法を新たに構築し，キンクおよびその周辺の変形場および応力場を数値解析によって評価した．
(4) 多結晶体におけるキンク帯形成機構解明を目的として，Mg基LPSO構造一方向凝固材の圧縮負荷を模擬した結晶塑性有限要素解析を実施した．その結果，単純な加工硬化則を仮定した解析においても，先行研究において実験的に確認されている変形挙動を定性的に再現可能であることを確認した．
(5) Mg系ミルフィーユ構造における溶質元素クラスター間相互作用の解明を目的として，Mg中のY-Niクラスター間相互作用に関する大規模第一原理計算を試行した．その結果，長距離側でわずかに安定となるクラスター間距離が存在することを見出した．

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」（大阪大学），「キンク構造電子論解析用データ可視化計算機」（日本原子力研究開発機構），「キンク形成マルチスケール解析用並列計算機」（佐賀大学），「キンク形成結晶塑性解析用並列計算機」（熊本大学）を導入し，研究基盤を整備した．なお，本年度は関西国際空港の冠水に伴う物流停止の影響で並列計算機の調達・納品が遅れたことから（運用開始：平成30年12月～），当初予定した計算モデルの規模・種類を既存設備で解析可能な範囲に変更し，併せて研究計画を調整した．
また，キンクの原子構造およびキンクを伴う力学特性の解析に際して，研究が密接に関連するA02班内およびA03班の関連研究者間で研究会を計4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．また，国内の関連学協会において積極的に発表・議論することに加えて，異分野学会主催の研究会等の機会を活用して情報発信を行うなど，研究成果の広報活動を展開した．

Strategy for Future Research Activity

次年度は，初年度に構築した研究基盤に立脚し，以下に挙げる課題に取り組むことで研究を推進する．これらは，Mg系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解明するための重要な因子であり，他班と連携研究を進める上での基盤的知見となる．
(1) 加速分子動力学法等の原子シミュレーションを活用したMg系ミルフィーユ構造の塑性変形素過程の温度・応力依存性の評価，ならびにキンクの幾何学的特徴を有した界面の形成過程に関する原子論的情報の獲得．
(2) 大規模第一原理計算を活用した溶質原子による転位芯のトラップ効果の評価，ならびに溶質偏析によるキンク界面と転位の相互作用の変化に関する電子論的検討．
(3) 高次勾配結晶塑性論に基づくメッシュフリー解析手法を活用したキンク形成の再現，ならびにキンク帯の介在による強化に関する定量的検討．
(4) 結晶塑性有限要素法を活用したMg基LPSO相多結晶体の系統的変形解析の実施とキンク帯形成の支配因子の抽出，ならびに実験結果との比較を通じた応力－ひずみ挙動，変形帯の形成挙動等に関する定量的検討．
(5) 大規模第一原理計算を活用したMg基LPSO構造における溶質クラスター間相互作用の系統的解析の実施，ならびに構造安定性に関する熱力学的情報の獲得．

Research Products

• [Journal Article] Superior energy absorption in porous magnesium: Contribution of texture development triggered by intra-granular misorientations (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical study on bicrystalline micropillar compression using high-order gradient crystal plasticity (2019)
  • Author(s): Yuichi Tadano
  • Journal Title: Key Engineering Materials Volume: 794 Pages: 65-70
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.794.65
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Meshfree Analysis of Higher-Order Gradient Crystal Plasticity Using Nodal Integration (2019)
  • Author(s): Niiro Tota、Tadano Yuichi
  • Journal Title: Key Engineering Materials Volume: 794 Pages: 214-219
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.794.214
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal plasticity analysis of anisotropic deformation behavior of porous magnesium with oriented pores (2018)
  • Author(s): Tsuyoshi Mayama, Masakazu Tane, Yuichi Tadano
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1063 Pages: 12047-12047
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1063/1/012047
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a EBSD-FEM data conversion interface and the image-based crystal plasticity analysis (2018)
  • Author(s): Yoshiki Kawano, Tetsuya Ohashi, Tsuyoshi Mayama, Masaki Tanaka, Morihiro Sakamoto, Yelm Okuyama, Michihiro Sato
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 84 Issue: 860 Pages: 17-00559
  • DOI: 10.1299/transjsme.17-00559
  • NAID: 130006726326
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal plasticity analysis of change in incompatibility and activities of slip systems in alpha-phase of Ti alloy under cyclic loading (2018)
  • Author(s): Yoshiki Kawano, Tetsuya Ohashi, Tsuyoshi Mayama, Ryoji Kondou
  • Journal Title: Journal of Mechanical Sciences Volume: 146-147 Pages: 475-485
  • DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.09.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallographic study of plasticity and grain boundary separation in FeCo alloy using small single- and bi-crystalline specimens (2018)
  • Author(s): Kishi Daichi、Mayama Tsuyoshi、Mine Yoji、Takashima Kazuki
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 142 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2017.08.012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高分子の緩和挙動に関する加速分子動力学解析 (2019)
  • Author(s): 大依加奈, 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平成30年度学生員卒業研究発表講演会
• [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)
  • Author(s): 黒崎亮介, 山添恵介, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 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
• [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)
  • Author(s): 君塚肇, 福井浩毅, 尾方成信
  • Organizer: 日本金属学会2019年春期講演大会
• [Presentation] Ti-V合金におけるマルテンサイト変態の原子論的機構に関する第一原理解析 (2019)
  • Author(s): 市岡航平, 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 日本金属学会2019年春期講演大会
• [Presentation] LPSO-DS結晶におけるキンク形成におよぼす活動変形機構の影響 (2019)
  • Author(s): 眞山剛, 萩原幸司, 上山涼平, 只野裕一
  • Organizer: 日本金属学会2019年春期講演大会
• [Presentation] Role of Intra- and Intercluster Interactions in Stabilization of Solute-Enriched Layers in Mg-based LPSO Phases: Towards Atomic Modeling of Mille-Feuille Structures (2018)
  • Author(s): H. Kimizuka and S. Ogata
  • Organizer: The 4th International Symposium on Long-Period Stacking Ordered Structure and Mille-Feuille Structure (LPSO2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Crystal plasticity finite element analysis of kink band formation in directionally solidified crystals of Mg-based LPSO alloy (2018)
  • Author(s): T. Mayama
  • Organizer: The 4th International Symposium on Long-Period Stacking Ordered Structure and Mille-Feuille Structure (LPSO2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 材料の強度・変形機構の解明に向けた原子・電子論的シミュレーションの活用 (2018)
  • Author(s): 君塚肇
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会・公募シンポジウムS8「材料変形素過程のマルチスケール解析―計算と実験の融合を目指して―」
  • Invited
• [Presentation] 転位列への固溶元素析出の第一原理計算によるモデル化 (2018)
  • Author(s): 板倉充洋, 山口正剛
  • Organizer: 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」
  • Invited
• [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)
  • Author(s): 市岡航平, 三好宙, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 日本材料学会第3回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [Presentation] LPSO構造におけるキンク帯形成過程の結晶塑性解析 (2018)
  • Author(s): 眞山剛, 萩原幸司, 只野裕一, 大橋鉄也
  • Organizer: 軽金属学会第134回春期大会
• [Presentation] LPSO型Mg-Zn-Y合金における除荷時の非線形変形 (2018)
  • Author(s): 白石一馬, 眞山剛, 山崎倫昭, 河村能人
  • Organizer: 軽金属学会第134回春期大会
• [Presentation] 一軸圧縮したLPSOマグネシウム合金の一般化積層欠陥エネルギー低下 (2018)
  • Author(s): 山口正剛, 板倉充洋
  • Organizer: 軽金属学会第134回春期大会
• [Presentation] 第一原理計算に基づく単結晶の非線形弾性構成関係の評価 (2018)
  • Author(s): 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 日本計算工学会第23回計算工学講演会
• [Presentation] Inelastic unloading behavior of dual phase Mg-Zn-Y alloys with LPSO phase (2018)
  • Author(s): K. Shiraishi, T. Mayama, M. Yamasaki, Y. Kawamura
  • Organizer: Mg2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal plasticity analysis of anisotropic deformation behavior of porous magnesium with oriented pores (2018)
  • Author(s): T. Mayama, M. Tane, Y. Tadano
  • Organizer: Numisheet2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MgにおけるI1型積層欠陥を起点とした変形機構に関する分子動力学解析 (2018)
  • Author(s): 君塚肇, 松原和輝, 尾方成信
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [Presentation] 原子シミュレーションによるマグネシウム{10-12}変形双晶の核生成過程の応力・温度依存性の解析 (2018)
  • Author(s): 山添恵介, 佐藤悠治, 石井明男, 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [Presentation] LPSO型マグネシウム合金の長周期積層欠陥エネルギー (2018)
  • Author(s): 板倉充洋, 山口正剛
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [Presentation] LPSO構造多結晶体におけるキンク帯発達過程の結晶塑性解析 (2018)
  • Author(s): 眞山剛, 萩原幸司, 只野裕一, 大橋鉄也
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [Presentation] Mg-Zn-Y合金LPSO相におけるキンク変形帯およびすべり帯形成の結晶方位依存性 (2018)
  • Author(s): 高木康介, 眞山剛, 峯洋二, 高島和希
  • Organizer: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [Presentation] 純マグネシウム系におけるキンクの第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 板倉充洋, 山口正剛
  • Organizer: 軽金属学会第135回秋期大会
• [Presentation] 単軸引張負荷を受けるLPSO構造単結晶における変形帯形成 (2018)
  • Author(s): 眞山剛, 高木康介, 峯洋二, 高島和希
  • Organizer: 軽金属学会第135回秋期大会
• [Presentation] マグネシウム合金中の底面・柱面すべり過程に対する固溶原子と積層欠陥の影響に関する原子論的解析 (2018)
  • Author(s): 福井浩毅, 君塚肇, 尾方成信
  • Organizer: 日本機械学会第31回計算力学講演会
• [Presentation] 高次勾配結晶塑性メッシュフリー解析における数値積分手法に関する検討 (2018)
  • Author(s): 只野裕一, 萩原世也
  • Organizer: 日本機械学会第31回計算力学講演会
• [Presentation] 結晶塑性有限要素法によるHCP双結晶の格子ひずみ解析 (2018)
  • Author(s): 眞山剛
  • Organizer: 日本機械学会第31回計算力学講演会
• [Presentation] Atomistic kinetic Monte Carlo modeling of the formation of G.P. Zone in Al-Cu alloy (2018)
  • Author(s): H. Miyoshi, A. Ishii, H. Kimizuka, S. Ogata
  • Organizer: Materials Research Society (MRS) 2018 Fall Meeting & Exhibit
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Study on Bicrystalline Micropillar Compression Using High-order Gradient Crystal Plasticity (2018)
  • Author(s): Y. Tadano
  • Organizer: 14th Asia-Pacific Symposium on Engineering Plasticity and Its Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Meshfree Analysis of Higher-order Gradient Crystal Plasticity Using Nodal Integration (2018)
  • Author(s): T. Niiro, Y. Tadano
  • Organizer: 14th Asia-Pacific Symposium on Engineering Plasticity and Its Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 底面すべり系が支配的に活動する単結晶における変形帯形成 (2018)
  • Author(s): 眞山剛, 高木康介, 峯洋二, 高島和希
  • Organizer: 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス