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2021 年度 実績報告書

異分野融合によるキンク形成・強化の理論構築

計画研究

研究領域ミルフィーユ構造の材料科学-新強化原理に基づく次世代構造材料の創製-
研究課題/領域番号 18H05481
研究機関東京工業大学

研究代表者

藤居 俊之  東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (40251665)

研究分担者 中島 英治  九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (80180280)
SVADLENKA KAREL  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60572188)
稲邑 朋也  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60361771)
垂水 竜一  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30362643)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワードキンク形成 / キンク強化 / 回位 / 微分幾何学 / ミルフィーユ条件 / キンク界面 / 二次キンク
研究実績の概要

本年度の研究成果を記す.
藤居は,キンクを含むLPSO単相合金の二段圧縮試験中のひずみ速度急変試験により,変形の熱活性化過程を特定し,固溶原子による短距離障害物が変形支配因子であることを明らかにした.また,キンク導入後のDS材の室温塑性変形では,降伏直後からのキンクの塑性変形が開始されることを発見し,キンクを含むDS材の降伏支配因子を解明した.
中島は研究協力者と連携して,LPSO単相合金の二段圧縮試験により,キンクで転位すべりが明確に抑制され,キンク境界で転位のpile-upが生じることを示した.さらに,二段目圧縮の際に,既存キンク内に二次キンクの発生を伴った優先的なひずみの発達が生じることを見出した.
シュワドレンカは,圧縮による層状構造の変形に伴うエネルギー変化を変分的なアプローチにより数理解析するとともに,紙束の圧縮実験との比較検証を行った.この計算手法は多様な層状構造をもつ材料のモデリングに応用可能であり,キンク強化に重要なミルフィーユ条件の理論的導出が可能となることを明らかにした.
稲邑は,ミルフィーユ条件が満足される基でキンクが変形する場合,必ず新たな回位が発生するとともに,複数キンクの連携的変形が必要となることをエネルギー変化量の見積から明らかにした.これら回位と連携的変形は,キンク変形特有の現象であり,キンクを含む材料において発現する強化機構となることも明らかになった.
垂水は,微分幾何学に基づく格子欠陥論による連続体力学の立場からキンク変形・強化機構の理論解析を進めた.これまでの研究成果は,(i)転位列を用いた多様なキンク形態の再現,(ii)転位と回位の等価性に関する数学的な証明,(iii)キンク界面の切断による大きな応力集中の発見と回位形成の定性的な関係の指摘,として集約される.特に(iii)はキンク強化機構として回位が重要な役割を果たすことを示唆している.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本計画研究が掲げている異分野融合によるキンク強化理論の確立に向けて,本計画研究班内でもキンク強化に関連する実験を並行して進めてきた.キンクを含むLPSO単相合金の室温二段圧縮試験により,キンクを含む合金の変形の熱活性化過程が短距離障害物支配であること,また,降伏はキンク内の変形により生じること,さらに,既存キンク内で新たなキンク形成を伴って塑性変形が進行することを明らかにした.これら実験事実に基づき,Rank-1接続に基づく運動学的理論によってキンク強化の解析が進められ,キンクの変形の伴う新たな回位発生やキンク群の連携変形がキンク強化をもたらすことがわかった.
理論面での進捗として,微分幾何学に基づいて転位論と回位論を体系化した新たな統一理論からは,多様なキンク形態の連続体力学的表現が可能となった.さらに,キンク界面を跨いで生じる変形により発生する欠陥応力場解析が可能となるとともに,微分幾何学に基づく回位のフランクベクトルの定量解析を実現した.これにより,最終年度においては,回位の存在によるキンク強化量の定量的見積が期待できる.
今年度においても,新型コロナウイルス感染症の影響から,対面での研究集会は実施できなかったものの,ほぼ毎月,オンライン会合を開催し,情報交換とともに,キンク強化に関わる議論を深めた.弾塑性数理解析による一般化ミルフィーユ条件の導出に関しては,海外共同研究者との国際共同研究も進展し,キンク形成モデル実験との比較により,数理モデルの検証がなされ,論文成果に結びつきある.
以上のことから,研究当初に掲げた研究目的を達成するために,本年度は着実な研究成果をあげていると自己評価した.

今後の研究の推進方策

本年度の推進方策を以下に記す.
(1)中島を主担当として,キンク周囲の弾性応力場を実験的に定量評価し,キンクの特徴と強化量の関係を定量的に測定する. EBSD-Wilkinson法を用いたキンク周囲の弾性応力場解析と,微小試験片を用いた力学特性評価手法の確立により上記の課題を達成し,これまでに実施した全ての研究成果をまとめて,キンク強化理論の構築を目指す.
(2)シュワドレンカを主担当として,弾塑性ダイナミックスの数理モデルを実装した数値解法によるシミュレーション結果を解析し,モデルパラメータに依存したキンク構造の特徴を調べ,実験結果と比較検証する.さらに,このモデルに層状構造を入れて,異なる弾塑性属性をもつ層の均質化を理論的かつ数値的に解析することにより,キンク形成・強化の観点からミルフィーユ条件の精査と定量化を行う.
(3)稲邑を主担当として,キンクが底面すべりに切断される場合について回位と連携変形に基づく強化量を与える理論式を定式化し,実験との比較によってその妥当性を検証する.また,キンク内部が変形する場合についても強化量を定式化する.さらに,界面が湾曲したキンクの電子顕微鏡観察と運動学的モデル化を行い,実験で得られているキンク強化量に及ぼす湾曲キンクの効果を理論的に解明する.
(4)垂水を主担当として,微分幾何学に基づくキンク変形モデルの解析と応用を進める.特に,キンクの形成にともなって生じる回位フランクベクトルを定量的に評価することで,キンクによる材料強化機構を回位論に基づいて解析する.
(5)藤居を主担当として,キンク導入後のマグネシウム合金における降伏現象の理論的説明,すなわちキンク強化理論を提示する.さらに研究代表者として,班内のみならず班外の領域内研究者との連携も促し,キンク強化に係わる領域内のあらゆる知見を結集させて,体系的なキンク強化理論の構築を実現する.

  • 研究成果

    (40件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 4件、 招待講演 11件) 備考 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] The Czech Academy of Sciences/Charles University in Prague(チェコ)

    • 国名
      チェコ
    • 外国機関名
      The Czech Academy of Sciences/Charles University in Prague
  • [雑誌論文] A Crank-Nicolson type minimization scheme for a hyperbolic free boundary problem2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshiho Akagawa, Elliott Ginder, Syota Koide, Seiro Omata, Karel Svadlenka
    • 雑誌名

      Discrete and Continuous Dynamical Systems Series B

      巻: 27 ページ: 2661-2681

    • DOI

      10.3934/dcdsb.2021153

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A numerical algorithm for modeling cellular rearrangements in tissue morphogenesis2022

    • 著者名/発表者名
      Rhudaina Z. Mohammad, Hideki Murakawa, Karel Svadlenka, Hideru Togashi
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 5 ページ: 239

    • DOI

      10.1038/s42003-022-03174-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystallographic features of deformation-kink bands in coplanar-double-slip-oriented copper single crystals2021

    • 著者名/発表者名
      Ma Tianchang、Miyazawa Tomotaka、Fujii Toshiyuki
    • 雑誌名

      Materials Characterization

      巻: 177 ページ: 111151~111151

    • DOI

      10.1016/j.matchar.2021.111151

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dewetting dynamics of anisotropic particles: A level set numerical approach2021

    • 著者名/発表者名
      Gavhale Siddharth、Svadlenka Karel
    • 雑誌名

      Applications of Mathematics

      巻: 1 ページ: 1~29

    • DOI

      10.21136/AM.2021.0040-21

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Generalized Slip Operation Factor Considering Contribution of Secondary Slip Systems2021

    • 著者名/発表者名
      Kawano Yoshiki、Mayama Tsuyoshi、Mitsuhara Masatoshi、Yamasaki Shigeto、Sato Michihiro
    • 雑誌名

      Materials Today Communications

      巻: 26 ページ: 102041~102041

    • DOI

      10.1016/j.mtcomm.2021.102041

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FTMP-based Kink Deformation and Strengthening Mechanisms for Mille-feuille Structures2021

    • 著者名/発表者名
      Yuta Nawa, Tadashi Hasebe
    • 雑誌名

      International Journal of Multiphysics

      巻: 15 ページ: 325-348

    • 査読あり
  • [学会発表] キンクと回位の精密解析から導かれるキンク強化の考え方2022

    • 著者名/発表者名
      光原昌寿, 徳澄翼, 福島碧, 出口岬, 山崎重人, 中島英治
    • 学会等名
      令和3年度第2回軽金属学会LPSO/MFS構造材料研究部会
    • 招待講演
  • [学会発表] キンク組織の変形により生じる回位と連携的変形2022

    • 著者名/発表者名
      稲邑朋也
    • 学会等名
      令和4年度第1回日本金属学会キンク研究会/令和3年度第3回軽金属学会LPSO/MFS構造材料研究部会
    • 招待講演
  • [学会発表] キンクバンドのせん断により発生する回位多重極子の弾性エネルギー2022

    • 著者名/発表者名
      松村 隆太郎,篠原 百合,稲邑 朋也
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
  • [学会発表] Ridgeキンクにおける区分的に均一なキンク列による回位の緩和2022

    • 著者名/発表者名
      張 雪禹,松村 隆太郎,篠原 百合,稲邑 朋也
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
  • [学会発表] デジタル画像相関法を用いた圧縮試験中ひずみ分布測定2022

    • 著者名/発表者名
      山崎 萌子,小西 陽一郎,藤居 俊之,石川 和宏,宮嶋 陽司
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
  • [学会発表] Theoretical criteria to predict formation of kinks in materials with mille-feuille structure2021

    • 著者名/発表者名
      Toshiyuki Fujii
    • 学会等名
      THERMEC'2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] LPSO相を含むマグネシウム合金における塑性変形挙動の温度とひずみ速度依存性2021

    • 著者名/発表者名
      藤居俊之,遠藤稜,宮澤知孝,宮嶋陽司,萩原幸司
    • 学会等名
      軽金属学会第140回春期大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 放射光X線CTによるLPSO単相Mg85Zn6Y9合金に形成されたキンクの3次元可視化2021

    • 著者名/発表者名
      宮澤知孝,難波亮太,藤居俊之,山崎重人,光原昌寿,中島英治,上椙真之
    • 学会等名
      軽金属学会第140回春期大会
  • [学会発表] 繰り返し重ね接合圧延法を用いたCu/Al合金異種金属積層材の圧縮変形挙動2021

    • 著者名/発表者名
      山崎萌子,石川和宏,藤居俊之,宮嶋陽司
    • 学会等名
      軽金属学会第140回春期大会
  • [学会発表] Evaluation of residual strain distributions around ridge-type kinks in a single-phase Mg-6at%Zn-9at%Y alloy by synchrotron x-ray radiation2021

    • 著者名/発表者名
      Tomotaka Miyazawa, Ryota Namba, Toshiyuki Fujii, Shigeto Yamasaki, Masatoshi Mitsuhara, Hideharu Nakashima
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications (Mg 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental aspects of kink and pre-kink formation process in Mg-Zn-Y alloy with LPSO phase2021

    • 著者名/発表者名
      Masatoshi Mitsuhara, Tsubasa Tokuzumi, Shigeto Yamasaki, Hideharu Nakashima, Koji Haghihara, Toshiyuki Fujii
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications (Mg 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] 長周期積層構造型マグネシウム合金における塑性変形挙動の温度とひずみ速度依存性2021

    • 著者名/発表者名
      遠藤稜,鈴木敬康,宮澤知孝,藤居俊之,宮嶋陽司,萩原幸司
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] ARB法により作製したCu/A5052積層材の圧縮変形挙動に及ぼす焼鈍の影響2021

    • 著者名/発表者名
      山崎萌子,石川和宏,藤居俊之,宮嶋陽司
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] fcc金属で構成される異種金属積層材の圧縮に伴うキンク発現条件について2021

    • 著者名/発表者名
      山崎萌子,石川和宏,藤居俊之,宮嶋陽司
    • 学会等名
      日本金属学会・日本鉄鋼協会 北陸信越支部 令和3年度 総会・連合講演会
  • [学会発表] 精密結晶方位測定と変形の可視化によるキンク強化理論の検証2021

    • 著者名/発表者名
      光原昌寿, 徳澄翼, 出口岬, 山崎重人, 中島英治
    • 学会等名
      令和2年度第3回軽金属学会LPSO/MFS構造材料研究部会
    • 招待講演
  • [学会発表] LPSO単相Mg-Zn-Y合金のキンク形成とキンク強化に関する実験的検証2021

    • 著者名/発表者名
      光原昌寿, 徳澄翼, 山崎重人, 中島英治
    • 学会等名
      軽金属学会第140回春期大会
    • 招待講演
  • [学会発表] LPSO型Mg合金の室温圧縮における2次キンクの生成2021

    • 著者名/発表者名
      江目皓祐, 江草大佑, 光原昌寿, 中島英治, 阿部英司
    • 学会等名
      金属学会2021年度秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] 室温圧縮LPSO型マグネシウム合金における二次キンク構造の解析2021

    • 著者名/発表者名
      江目皓祐, 江草大佑, 光原昌寿, 中島英治, 阿部英司
    • 学会等名
      軽金属学会第141回秋期大会
  • [学会発表] 圧縮変形させたLPSO-Mg合金に発現するキンク強化の実験的検証2021

    • 著者名/発表者名
      徳澄翼, 光原昌寿, 山崎重人, 中島英治
    • 学会等名
      軽金属学会第141回秋期大会
  • [学会発表] 微分幾何学によるキンク変形の数理解析2021

    • 著者名/発表者名
      垂水竜一
    • 学会等名
      令和2年度 第三回軽金属学会「LPSO/MFS構造材料研究部会」
    • 招待講演
  • [学会発表] リーマン・カルタン多様体による格子欠陥のモデリング2021

    • 著者名/発表者名
      垂水竜一
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] Riemann-Cartan多様体に基づく回位のモデル化と応力場の数値解析2021

    • 著者名/発表者名
      高橋慶多,小林舜典,垂水竜一
    • 学会等名
      日本機械学会 関西支部第96期定時総会講演会
  • [学会発表] LPSO-Mg合金におけるキンク変形により発生する回位とそれによる強化機構2021

    • 著者名/発表者名
      稲邑朋也,篠原百合,松村隆太郎
    • 学会等名
      軽金属学会第140回春期大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Disclination in connecting kink bands formed by multiple basal slips2021

    • 著者名/発表者名
      T. Inamura, Y. Shinohara, R. Matsumura
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications (Mg 2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] キンク組織とその変形に関する運動学的考察2021

    • 著者名/発表者名
      稲邑朋也,松村隆太郎, 張雪禹,篠原百合
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 複数の結合したキンクバンドのせん断変形により発生する回位四重極子2021

    • 著者名/発表者名
      松村隆太郎,篠原百合,稲邑朋也
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] ミルフィーユ構造におけるキンク変形の幾何学2021

    • 著者名/発表者名
      稲邑朋也
    • 学会等名
      第70期 塑性工学/マルチスケール材料力学 合同部門委員会
    • 招待講演
  • [学会発表] FTMP場の理論に基づくキンク強化機構に関する研究~ミルフィーユ構造が及ぼす影響に関する検討~2021

    • 著者名/発表者名
      水谷洸太,長谷部忠司
    • 学会等名
      日本材料学会第70期通常総会・学術講演会
  • [学会発表] 離散転位モデルによるキンク壁のFTMP場の理論的評価2021

    • 著者名/発表者名
      長谷部忠司,井原史郎
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] FTMP場の理論に基づくキンク強化機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      水谷洸太,長谷部忠司
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
  • [学会発表] FTMP場の理論に基づくキンク強化機構に関する研究~形態形成が強化発現に及ぼす影響に関する検討~2021

    • 著者名/発表者名
      水谷洸太,長谷部忠司
    • 学会等名
      日本機械学会M&M2021材料力学カンファレンス
  • [備考] 異分野融合による キンク形成・強化の理論構築

    • URL

      http://kamonohashi.iem.titech.ac.jp/fujii/mfsa03/

  • [学会・シンポジウム開催] MFS mini-workshop2022

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公開日: 2022-12-28  

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