Development of the analysis on nanoindentation to evaluate mechanical properties using computational science
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22K04701
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Tokyo University of Technology (2023)
Saga University (2022) |
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Principal Investigator |
赤津 隆 東京工科大学, 片柳研究所, 教授 (40231807)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | ナノインデンテーション / 熱応力 / 残留応力 / 弾性率 / 降伏応力 / 有限要素法 / クリープ変形 / 粘弾塑性体 / 非線形粘弾塑性体 / 基板上薄膜 / 力学的異方性 |
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| Outline of Research at the Start |
材料の局所を反映する力学特性がナノインデンテーション法で評価できるため、薄膜やMEMS部材など、新規開発される微小材料の唯一の力学特性評価法として注目されている。現時点で、ナノインデンテーション法の対象は、解析が比較的簡単な材料（均質等方体近似の下、弾塑性体や線形粘弾性体の構成方程式が圧子圧入の境界条件で解ける場合）に限られる、ということができる。本研究では、コンピュータサイエンスをナノインデンテーションに適用することによって解析上の困難さを克服し、非線形粘弾性、不均質性、異方性を有する固体に対するナノインデンテーションの力学的応答から、それらの力学特性を特徴付ける力学パラメータを導出する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではコンピュータサイエンスを活用し、様々な状況下におけるインデンテーションをシミュレーションすることにより、局所領域の力学特性評価法であるナノインデンテーション法の適用範囲の拡大を目指すことを目的としている。令和５年度は、等２軸予応力を受ける固体に、その応力と垂直にインデンテーションを行った場合、等２軸予応力がインデンテーションに及ぼす影響を定量的に調べた。これは、基板上の薄膜に対し、基板との熱膨張ミスマッチにより薄膜に生じる熱応力を想定したものである。その結果、ナノインデンテーションで得られる弾性率と降伏応力は等２軸予応力によって大きく変化することが分かった。弾性率は３次元のHooke則、降伏応力はMises応力を考慮することでその変化を説明することができることを明らかにした。等２軸応力が表面変形（sinking-inやpiling-up）には大きく影響しないことが分かった。薄膜のような平面応力近似が成立する上で、等２軸予応力方向と平行な方向からのインデンテーションも併せて行うことができれば、等２軸応力を推定できることを明らかにした。
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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
令和４年度は粘弾性体、令和５年度は等２軸予応力を受ける固体、と通常のナノインデンテーション法では解析できない問題に対し、力学特性を導出する新たな解析方法を提案できた。このとこによって、局所領域の力学特性評価法であるナノインデンテーション法の適用範囲を拡大することができた。ほぼ計画通りに進んでいるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのナノインデンテーション解析法は対象が均質等方体であることを前提としている。しかし、局所領域において、均質等方近似が成立する可能性は、通常低くなる。令和６年度は弾性率に異方性がある固体へのインデンテーション挙動の解析に取り組む。このことにより，例えば多結晶体中の１つの結晶粒子に対するインデンテーション挙動のようなものでも、解析可能になることが期待できる。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
