| 研究課題/領域番号 |
22K14462
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
山田 亮 北海道大学, 工学研究院, 助教 (60883535)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 凝固 / 状態図 / 原子シミュレーション / 粒界エネルギー / 核生成・成長 / 粒成長 / 拡散時間スケール |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、離散的なモデルとして発展してきたcluster activation methodを連続空間に拡張することで、原子拡散と格子欠陥が絡んだ複雑な現象をシミュレートすることが可能な汎用性の高い新たな原子シミュレーション手法を開発する。またその計算手法を応用することで、これまでの計算手法ではシミュレートが困難であった溶質原子の結晶粒界への偏析過程や、それに付随する粒界上の化合物の形成メカニズムなどを明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は拡散時間スケールの現象を記述可能な原子シミュレーション手法であるcluster activation method（CAM）を連続空間へと拡張することにより、分子動力学法や動的モンテカルロ法などの従来の計算手法では実質計算不可能な拡散時間スケールの現象をシミュレーション可能な原子シミュレーション手法である連続体CAMを開発することである。令和４年度は連続体CAMの計算の枠組みを構築することに重きをおいて研究を行ったのに対し、令和５年度は計算結果の信頼度を検証した。具体的には、純金属（レナード・ジョーンズポテンシャル）を仮定した系において、固相と液相がそれぞれ安定に存在する温度・密度を明らかにし、それらを静的モンテカルロ法で計算されたものと比較した。その結果、連続体CAMで得られた状態図はモンテカルロ法で得られるものと定量的に差異があることが明らかになった。その差異を解消するために、連続体CAMで用いるポテンシャルをいくつか変化させて計算を行った。しかしながら、どのポテンシャルを用いても静的モンテカルロ法で得られた状態図との差異を解消することはできなかった。また、並行して多元系への適用も行った。具体的には、レナード・ジョーンズポテンシャルを用いて、原子半径が異なる二元系合金の凝固過程を計算した。その結果、合金を構成する原子の半径の違いにより、侵入型と置換型のどちらもの凝固過程をシミュレートすることができた。しかしながら、規則化や相分離が想定される温度域おいて合金の原子配列を確認したところ、原子配列は不規則のままで規則化や相分離などを確認することができなかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
現在までに離散格子に基づくcluster activation method（CAM）を連続変位クラスター変分法で用いられている擬格子（quasi-lattice）の概念を用いて連続空間に拡張することで、純金属における液相から固相への凝固過程や固相核の成長過程、多結晶粒の粒成長過程、粒界エネルギーの方位差依存性などを計算することに成功した。具体的には、粒界エネルギーの方位差依存性は理論モデルとしてよく知られているRead-Shockleyの関係式に整合する結果となり、結晶粒の粗大化過程においては結晶粒の半径の二乗が時間に比例するという曲率駆動を仮定した古典的モデルに対応する結果が得られた。しかしながら、レナード・ジョーンズポテンシャルを用いた純金属を仮定した系において、得られた状態図がモンテカルロ法で得られるものと定量的に異なることが明らかとなった。その差異を解消するために、連続体CAMで用いるポテンシャルをいくつか変化させて計算を行ったが、どのポテンシャルを用いても静的モンテカルロ法で得られた状態図との差異を解消することはできなかった。また、連続体CAMを多元系合金へ適用も行った。その結果、合金を構成する原子の半径の違いにより、侵入型と置換型のどちらもの凝固過程をシミュレートすることができた。しかしながら、規則化や相分離が想定される温度域おいて合金の原子配列を確認したところ、原子配列は不規則のままで規則化や相分離などを確認することができなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
「現在までの進捗状況」でも述べた通り、レナード・ジョーンズポテンシャルを仮定した純金属の状態図を連続体CAMを用いて計算した結果、静的モンテカルロ法で得られる結果とわずかに差異があることが明らかとなった。その差異を解消するために、連続体CAMで用いるポテンシャルをいくつか変化させて計算を行ったが、どのポテンシャルを用いても静的モンテカルロ法で得られた状態図との差異を解消することはできなかった。そこで今後はこれまでに影響が少ないと考え、無視していた「短範囲原子間相関」を考慮に入れて研究を行う必要があるだろう。また、連続体CAMの多元系合金への適用に関しては、規則化や相分離が想定される温度域おいて合金の原子配列が不規則のままで規則化や相分離などを確認することができなかった。この問題を解消するためには連続体CAMの計算内で行う最近接擬格子間の原子のスワッピングを最近接擬格子間に限定することなく、広範囲に行うことで原子の拡散を上手くシミュレートすることができる可能性ができるだろう。
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