強度と延性を両立する材料設計のための学理構築

• 研究課題/領域番号: 17H01238
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 尾方 成信 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20273584)
• 研究分担者: 石井 明男 (シャードンバオ) 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 講師 (80773340)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円); 2021年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2019年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円); 2018年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2017年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
• キーワード: 強度と延性 / 塑性変形 / 熱活性化過程 / 変形素過程 / 電子・原子論 / 熱活性化解析 / 素過程 / 温度依存性 / 応力依存性 / 双晶変形 / 活性化解析

研究成果の概要

第一原理計算および古典力場を用いた原子論的解析を用いて、様々な結晶材料、ガラス材料における塑性変形の素過程の活性化の温度、応力、化学環境依存性の解析を実施し、得られた情報からマイクロメカニクスによってマクロ強度や延性を予測した。そしてこれらの知見から、強度と延性を高次元で両立するための材料の設計指針を構築し、その妥当性の検証を行った。その過程において、ナノインデンテーションなどの特異な応力場中で活性化する塑性変形素過程のマルチスケール解析手法や活性化エネルギーの温度依存性の評価手法などの新しい解析手法が構築できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

構造物を構成する構造材料には強度と延性と靱性の高次元でのバランスが要求される。しかしながら、一般的には強度と延性・靱性はトレードオフの関係にある。高強度構造材料開発という強い社会的要求に応えて材料強度を高めるとどうしても延性・靱性が犠牲になり、構造材料としての信頼性が低下してしまう。高強度と高延性（および高靱性）を両立した新奇材料が発見されているが、これまでこのような材料の明確な設計指針がなく、開発は研究者のひらめきや、試行錯誤に頼っていた。本研究で得られた強度と延性の両立指針は、まさにこの設計指針を与えるものであり、その社会的インパクトは大きい。

研究成果

• [国際共同研究] Johns Hopkins University/The University of Tennessee/Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] 西安交通大学(中国)
• [国際共同研究] University of Lyon(フランス)
• [国際共同研究] MIT(米国)
• [国際共同研究] Beihang University(中国)
• [雑誌論文] Experimental molecular dynamics for individual atomic-scale plastic events in nanoscale crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Zheng Sixue、Shinzato Shuhei、Ogata Shigenobu、Mao Scott X.
  • 雑誌名: Journal of the Mechanics and Physics of Solids 巻: 158 ページ: 104687-104687
  • DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104687
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theory of history-dependent multi-layer generalized stacking fault energy－ A modeling of the micro-substructure evolution kinetics in chemically ordered medium-entropy alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Peijun、Du Jun-Ping、Shinzato Shuhei、Meng Fan-Shun、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 224 ページ: 117504-117504
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117504
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Highly pressurized helium nanobubbles promote stacking-fault-mediated deformation in FeNiCoCr high-entropy alloy (2021)
  • 著者名/発表者名: Lin W.T.、Chen D.、Dang C.Q.、Yu P.J.、Wang G.、Lin J.H.、Meng F.L.、Yang T.、Zhao Y.L.、Liu S.F.、Du J.P.、Yeli G.M.、Liu C.T.、Lu Y.、Ogata S.、Kai J.J.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 210 ページ: 116843-116843
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116843
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Screening of generalized stacking fault energies, surface energies and intrinsic ductile potency of refractory multicomponent alloys (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Yong-Jie、Sundar Aditya、Ogata Shigenobu、Qi Liang
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 210 ページ: 116800-116800
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116800
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetic Monte Carlo simulation framework for chemical short-range order formation kinetics in a multi-principal-element alloy (2021)
  • 著者名/発表者名: Shen Zeqi、Du Jun-Ping、Shinzato Shuhei、Sato Yuji、Yu Peijun、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 198 ページ: 110670-110670
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110670
  • 査読あり
• [雑誌論文] Database-driven semigrand canonical Monte Carlo method: Application to segregation isotherm on defects in alloys (2021)
  • 著者名/発表者名: Campos Rodrigo Pinheiro、Shinzato Shuhei、Ishii Akio、Nakamura Shuichi、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 104 号: 2 ページ: 025310-025310
  • DOI: 10.1103/physreve.104.025310
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic processes of surface-diffusion-induced abnormal softening in nanoscale metallic crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Xiang、Zheng Sixue、Shinzato Shuhei、Fang Zhengwu、He Yang、Zhong Li、Wang Chongmin、Ogata Shigenobu、Mao Scott X.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 5237-5237
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25542-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Driving force of zero-macroscopic-strain deformation twinning in face-centred-cubic metals (2021)
  • 著者名/発表者名: Xie Hongxian、Wei Gaobing、Lu Yuanfang、Du Junping、Yin Fuxing、Lu Guang-Hong、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 101 号: 21 ページ: 2318-2330
  • DOI: 10.1080/14786435.2021.1971317
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] General-purpose neural network interatomic potential for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math>-iron and hydrogen binary system: Toward atomic-scale understanding of hydrogen embrittlement (2021)
  • 著者名/発表者名: Meng Fan-Shun、Du Jun-Ping、Shinzato Shuhei、Mori Hideki、Yu Peijun、Matsubara Kazuki、Ishikawa Nobuyuki、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 号: 11 ページ: 113606-113606
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.113606
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dislocation‐Mediated Hydride Precipitation in Zirconium (2021)
  • 著者名/発表者名: Liu Si‐Mian、Ishii Akio、Mi Shao‐Bo、Ogata Shigenobu、Li Ju、Han Wei‐Zhong
  • 雑誌名: Small 巻: 18 号: 9 ページ: 2105881-2105881
  • DOI: 10.1002/smll.202105881
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anharmonic effect on the thermally activated migration of {10-12} twin interfaces in magnesium (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sato, Thomas Swinburne, Shigenobu Ogata, David Rodney
  • 雑誌名: Materials Research Letters 巻: 9 号: 5 ページ: 231-238
  • DOI: 10.1080/21663831.2021.1875079
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ナノ多結晶粒界モデルを用いた粒界偏析予測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤一真, 澤田英明, 尾方成信
  • 雑誌名: 日本金属学会誌 巻: 84 号: 7 ページ: 237-243
  • DOI: 10.2320/jinstmet.J2020005
  • NAID: 130007864014
  • ISSN: 0021-4876, 1880-6880, 2433-7501
  • 年月日: 2020-07-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Atomistic Modeling Study of the Relationship between Critical Resolved Shear Stress and Atomic Structure Distortion in FCC High Entropy Alloys — Relationship in Random Solid Solution and Chemical-Short-Range-Order Alloys — (2020)
  • 著者名/発表者名: Ali Md. Lokman、Shinzato Shuhei、Wang Vei、Shen Zeqi、Du Jun-ping、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 61 号: 4 ページ: 605-609
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MK2019007
  • NAID: 130007815342
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 年月日: 2020-04-01
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unique universal scaling in nanoindentation pop-ins (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuji、Shinzato Shuhei、Ohmura Takahito、Hatano Takahiro、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 4177-4177
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17918-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen-Enhanced Vacancy Diffusion in Metals (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Jun-Ping、Geng W. T.、Arakawa Kazuto、Li Ju、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 号: 17 ページ: 7015-7020
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01798
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transition of dominant deformation mode in bulk polycrystalline pure Mg by ultra-grain refinement down to sub-micrometer (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Zheng, J. P. Du, S. Gao, H. Somekawa, S. Ogata, N. Tsuji
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 198 ページ: 35-46
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.07.055
  • NAID: 120006888479
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reduction of dislocation, mean free path, and migration barriers by high entropy alloy: insights from atomistic study of irradiation damage of CoNiCrFeMn (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Li, R. Li, Q. peng, S. Ogata
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 31 号: 42 ページ: 425701-425701
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ab9cf5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous solution softening by unique energy balance mediated by kink mechanism in tungsten-rhenium alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuru Tomohito、Wakeda Masato、Suzudo Tomoaki、Itakura Mitsuhiro、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 127 号: 2 ページ: 025101-025101
  • DOI: 10.1063/1.5131279
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase transformation assisted twinning in a face-centered-cubic FeCrNiCoAl high entropy alloy (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Peijun、Feng Rui、Du Junping、Shinzato Shuhei、Chou Jyh-Pin、Chen Bilin、Lo Yu-Chieh、Liaw Peter K.、Ogata Shigenobu、Hu Alice
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 181 ページ: 491-500
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2019.10.012
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural relaxation affecting shear-transformation avalanches in metallic glasses (2019)
  • 著者名/発表者名: Niiyama Tomoaki、Wakeda Masato、Shimokawa Tomotsugu、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 100 号: 4 ページ: 043002-043002
  • DOI: 10.1103/physreve.100.043002
  • 査読あり
• [雑誌論文] An atomistically informed kinetic Monte Carlo model for predicting solid solution strengthening of body-centered cubic alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuhei Shinzato, Masato Wakeda, Shigenobu Ogata
  • 雑誌名: International Journal of Plasticity 巻: 印刷中 ページ: 319-337
  • DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.03.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlled growth of single-crystalline metal nanowires via thermomigration across a nanoscale junction (2019)
  • 著者名/発表者名: Xie De-Gang、Nie Zhi-Yu、Shinzato Shuhei、Yang Yue-Qing、Liu Feng-Xian、Ogata Shigenobu、Li Ju、Ma Evan、Shan Zhi-Wei
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 4478-4478
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12416-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomistic prediction of the temperature- and loading-rate-dependent first pop-in load in nanoindentation (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuji、Shinzato Shuhei、Ohmura Takahito、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: International Journal of Plasticity 巻: 121 ページ: 280-292
  • DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.06.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature-dependent nucleation kinetics of Guinier-Preston zones in Al-Cu alloys: An atomistic kinetic Monte Carlo and classical nucleation theory approach (2019)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi Hiroshi、Kimizuka Hajime、Ishii Akio、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 179 ページ: 262-272
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2019.08.032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic insights on the influence of pre-oxide shell layer and size on the compressive mechanical properties of nickel nanowires (2019)
  • 著者名/発表者名: Gurcan Aral, Md Mahbubul Islam, Yun-Jiang Wang, Shigenobu Ogata, and Adri C. T. van Duin
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 125 号: 16
  • DOI: 10.1063/1.5080640
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of Hardening and Damage Initiation in Oxygen Embrittlement of Body-Centred-Cubic Niobium (2019)
  • 著者名/発表者名: Ping-Jiong Yang, Qing-Jie Li, Tomohito Tsuru, Shigenobu Ogata, Jie-Wen Zhang, Hong-Wei Sheng, Zhi-Wei Shan, Gang Sha, Wei-Zhong Han, Ju Li, Evan Ma
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 168 ページ: 331-342
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.030
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Origin of serrated flow in bulk metallic glasses (2019)
  • 著者名/発表者名: Xie Xie、Lo Yu-Chieh、Tong Yang、Qiao Junwei、Wang Gongyao、Ogata Shigenobu、Qi Hairong、Dahmen Karin A.、Gao Yanfei、Liaw Peter K.
  • 雑誌名: Journal of the Mechanics and Physics of Solids 巻: 124 ページ: 634-642
  • DOI: 10.1016/j.jmps.2018.11.015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First-principles study on the grain boundary embrittlement of bcc-Fe by Mn segregation (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Ito, Hideaki Sawada, and Shigenobu Ogata
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.013609
  • 査読あり
• [雑誌論文] Incorporating a soft ordered phase into an amorphous configuration enhances its uniform plastic deformation under shear (2019)
  • 著者名/発表者名: Gao Guo-Jie J.、Wang Yun-Jiang、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 9 号: 1 ページ: 015329-015329
  • DOI: 10.1063/1.5064499
  • NAID: 120006552071
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen embrittlement controlled by reaction of dislocation with grain boundary in alpha-iron (2019)
  • 著者名/発表者名: Wan Liang、Geng Wen Tong、Ishii Akio、Du Jun-Ping、Mei Qingsong、Ishikawa Nobuyuki、Kimizuka Hajime、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: International Journal of Plasticity 巻: 112 ページ: 206-219
  • DOI: 10.1016/j.ijplas.2018.08.013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A free energy landscape perspective on the nature of collective diffusion in amorphous solids (2018)
  • 著者名/発表者名: Wang Yun-Jiang、Du Jun-Ping、Shinzato Shuhei、Dai Lan-Hong、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 157 ページ: 165-173
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2018.07.029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Oxyhydroxide of metallic nanowires in a molecular H2O and H2O2 environment and their effects on mechanical properties (2018)
  • 著者名/発表者名: Gurcan Aral, Md Mahbubul Islam, Yun-Jiang Wang, Shigenobu Ogata and Adri C. T. van Duin
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 号: 25 ページ: 17289-17289
  • DOI: 10.1039/c8cp02422g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ケモメカニカルポテンシャルに基づく拡散方程式を用いたナノワイヤ中の格子間原子拡散シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 新里秀平，糟谷瑛，尾方成信
  • 雑誌名: 材料 巻: 67 号: 2 ページ: 263-268
  • DOI: 10.2472/jsms.67.263
  • NAID: 130006386376
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Predictive modeling of Time-Temperature-Transformation diagram of metallic glasses based on atomistically-informed classical nucleation theory (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, C. Nakai, M. Wakeda, S. Ogata
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-017-06482-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical misfit origin of solute strengthening in iron alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Wakeda, T. Tsuru, M. Kohyama, T. Ozaki, H. Sawada, M. Itakura and S. Ogata
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 131 ページ: 445-445
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2017.04.017
  • 査読あり
• [学会発表] HYDROGEN AND DISLOCATION ASSISTED GRAIN BOUNDARY CRACK INITIATION ~ A MOLECULAR DYNAMICS STUDY ~ (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: International Conference on Plasticity, Damage, and Fracture 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Universal one to one relation between critical resolved shear stress and mean square atomic displacement in random high entropy alloys (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata and Wei Wang
  • 学会等名: 2018 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vacancy diffusion in metals in hydrogen environment (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun-Ping Du, Shigenobu Ogata
  • 学会等名: Asian Consortium on Computational Materials Science - on "Multiscale Modelling of Materials for Sustainable Development", (ACCMS-TM2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First-principles study of energetics of deformation twinning in pure Mg (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials (THERMEC'2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomistic prediction of temperature and loading-rate dependent critical indentation load of the onset of homogeneous dislocation nucleation (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata, Takahito Ohmura, and Yuji Sato
  • 学会等名: The Sixth International Indentation Workshop (IIW6)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modeling of Deformation and Strength of Structural Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: International Seminar series on Time Dependent Multiscale Phenomena of Materials, Institute of Metal Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 変形子（プラストン）の物理と力学特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 尾方 成信
  • 学会等名: 日本金属学会セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] ここまで来た。シミュレーションを使った材料設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 尾方 成信
  • 学会等名: nano tech 2018 第17回 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議
  • 招待講演
• [学会発表] 計算材料科学による構造材料の力学特性の予測と設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 尾方 成信
  • 学会等名: 平成29年度・大阪大学「物質・材料科学研究推進機構」総会・講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Predictive Multiscale Modeling of Deformation and Strength of Structural Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Predictive Multiscale Modeling of Deformation and Strength of Nanostructured Structural Materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: The 9th Conference of Asian Consortium of Computational Materials Science (ACCMS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomistic prediction of pressure-promoted thermal rejuvenation and high pressure phase of metallic glass (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata
  • 学会等名: 2017 International symposium on multi-scale modeling and simulation of materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 塑性現象の素過程の原子論的理解 (2017)
  • 著者名/発表者名: 尾方 成信
  • 学会等名: 日本学術振興会第１３３委員会第２３８会研究会（原子スケールでの材料強度論）
  • 招待講演