| 研究課題/領域番号 |
22KJ2041
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| 補助金の研究課題番号 |
22J23488 (2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2022) |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 京都工芸繊維大学 |
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研究代表者 |
山中 波人 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 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 |
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2024年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
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| キーワード | 固液共存域変形 / 凝固 / 結晶粒微細化 / Multi-phase-field法 / 格子ボルツマン法 / 粒子法 / 大規模計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
鋳造過程に外力が生じると固液共存域変形が生じる．これは，結晶同士の接触と再配列によるレオロジー挙動により凝固欠陥が形成される一方で，小さな外力でも変形し，結晶粒が容易に微細化することが知られているため，その結晶粒スケールでの評価が喫緊の課題である．そこで，本研究では，固体の運動と液相流動を伴う多結晶凝固を再現可能なmulti-phase-field格子ボルツマンモデルに，固体変形を再現するための粒子法を連成した，固液共存域変形モデルを開発し，凝固過程による微細組織形成の達成を目指す．
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| 研究実績の概要 |
凝固組織形成過程での固液共存域変形は，凝固欠陥形成の原因となる．そのため，本研究は，固液共存域変形の評価手法を開発し，系統的なシミュレーションを行うことで，現象のメカニズムを解明することを目的としている．昨年度は，次の2点の成果を得た．
まず1点目として，固液共存域変形の単純せん断変形シミュレーション手法の開発と系統的な評価を行った．変形挙動に影響を及ぼすと考えられる固相率と，計算領域に関する系統的な評価を行い，各パラメータが変形挙動に及ぼす影響を考察した．また，高固相率のせん断変形において，鋳造過程でみられるような，バンド偏析形成の原因であるせん断帯形成が生じることを確認し，その形成メカニズムを考察した．また，固液共存域変形において，せん断帯形成の位置が初期の結晶粒配列に大きく影響を受けるが応力ひずみ関係や，せん断帯の大きさなどには影響を及ぼさないことを確認した．これらの内容に関しては，現在ジャーナル論文を執筆中である．また，変形速度や結晶の形態の影響評価及び，複数のせん断帯形成に関する評価のための計算も行っており，本年度中に考察をまとめてジャーナル論文投稿を行うことを計画している．
また， 2点目として，継続的に用いているmulti-phase-field格子ボルツマンモデルを3次元に拡張し，固液共存域変形の3次元シミュレーションを行った．ここでは固液共存域変形の特徴的な変形挙動を再現可能であることを確認するために，結晶同士の接触が見られ始めるdendrite coherency点近傍と推測される固相率0.4をとる固液共存体において，まず，評価を行った．シミュレーションから，2Dシミュレーションで得られていた，あるいは，実験観察から予測されていたように，結晶の接触と滑るような再配列挙動からなるスティックスリップ現象が支配的な変形メカニズムを呈していることを確認した．
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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
修士から継続している固液共存域変形のその場観察を模擬した2D変形シミュレーションについて，ジャーナル論文の執筆にて整理する計画であったが達成できていない．固相率と領域サイズに関する系統的な評価を行い，高固相率において，変形が集中する箇所から，固相率が局所的に低下することを確認しており，せん断帯形成の定量的な評価が可能であることを確認している．一方で，計算境界の設定の問題で，変形に際して応力値が上がり続けていることを確認しており，その解決のために，当初の研究計画を達成することができていない．
固液共存域の単純せん断変形シミュレーションに関しては，せん断帯形成挙動に関する系統的な評価を終えた．せん断帯形成において，初期の結晶粒配列のみを変えた場合においてもせん断帯の形成位置が異なり，また，その大きさにもかなりの分散があることを確認しており，その複雑な現象の定量的な考察に時間を要した．こちらは，局所固相率の変化や変形速度の分布などから整理しており，現在ジャーナル論文を執筆中である．
3D固液共存域変形シミュレーションに関しては，昨年度の計画通りモデルの開発と，基礎的な評価を行った．こちらは，Journal of Physics: Conference Seriesにて投稿中である．
上記の課題の遅れから，昨年度中に行うことを予定していた，固体変形モデルの開発に着手することはできなかった．
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度から課題となっている，固液共存域変形のその場観察を模擬した計算で，応力値ｆが増加する問題に関して，計算条件の設定を見直し，必ず早期の成果創出を行う．外力の与え方などを再検討し，実験を精緻に再現するシミュレーション手法の開発を行えるようにする．
また，固液共存域の単純せん断変形シミュレーションに関して，考察をほぼ終えているため，現在執筆している論文の投稿を速やかに達成する．また，昨年度行った計算において，せん断方向と垂直方向の領域サイズを大きくした際の評価を追加で行っており，これと変形速度，結晶形態の影響評価を次論文として纏めることを予定している．昨年度の計算で，垂直方向の領域サイズを大きくしたとき，せん断帯が複数形成されることを確認しており，これは先行研究でも詳細に評価されていないので，これらの内容に関しての成果創出は達成可能であると考えている．
固液共存域の3D単純せん断変形シミュレーションに関して，昨年度に3D計算の領域サイズの影響評価も行ったため，これの考察を行い，また，十分大きな計算領域を用いて，3D固液共存域変形におけるせん断帯形成の再現とそのメカニズム解明を目指す．これは手法の開発は完了しているため，成果の創出は達成可能であると考えている．
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