第一原理計算によるバルクナノメタルの基礎物性設計

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: バルクナノメタル ー常識を覆す新しい構造材料の科学
• 研究課題/領域番号: 22102003
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 尾方 成信 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20273584)
• 研究分担者: 香山 正憲 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, その他 (60344157)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 転位生成 / 粒界移動 / 加速分子動力学法 / 第一原理局所応力解析 / 結晶粒サイズ依存性 / 基礎物性設計指針

研究実績の概要

本年度の主な成果は以下の２点である。
(1)バルクナノメタルの変形の素過程である、粒界からの転位生成、粒界移動およびすべり、粒界での原子拡散現象を、実時間かつ原子レベルで解析することのできる加速分子動力学解析を開発し、これらの現象における原子構造の変化の詳細や熱力学パラメーターを獲得することを可能とした。これにより、バルクナノメタルの強度や特異な塑性変形特性を定量的に予測評価することが可能となり、A01ア班によって明らかにされている、ナノメタルの降伏や変形能が１ミクロン粒径で急激に変化することなどを首尾良く説明することに成功した。
(2)バルクナノメタルの変形や基礎物性を最も支配している粒界性格の負荷応力による変化を、電子構造のレベルから明らかにするために、これまで開発してきた第一原理局所応力局所ひずみ解析を、引張り変形下の粒界に対して適用できるように拡張した。これにより、粒界の力学的な基礎物性を第一原理から明らかにすることに成功した。
以上、２点の成功により、バルクナノメタルの基礎物性設計を、第一原理計算すなわち電子論の観点から可能とする枠組みが構築できた。さらには、この枠組みによって得られたバルクナノメタルの力学的特性は、A01ア班で実験的に得られた力学的特性に関する知見とよく整合しており、その有効性が確かめられた。これらの成果により、結晶材料の機械的特性を支配している普遍的な結晶粒サイズ依存則を見出すことができた。また、バルクナノメタルの特異な力学挙動を発現する時間・空間スケールの決定因子を明らかにすることを通じて、現実の材料物性に立脚した、バルクナノメタルのユニバーサルな基礎物性設計指針を獲得することができた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] アモルファス金属中に発現する中距離秩序構造の原子論的検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 譯田真人, 渋谷陽二, 尾方成信
  • 雑誌名: 材料 巻: 64 ページ: 156-162
  • DOI: http://dx.doi.org/10.2472/jsms.64.156
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] From “smaller is stronger” to “size-independent strength plateau”: towards measuring the ideal strength of iron (2015)
  • 著者名/発表者名: Wei-Zhong Han, Ling Huang, Shigenobu Ogata, Hajime Kimizuka, Zhao-Chun Yang, Christopher Weinberger, Qing-Jie Li, Bo-Yu Liu, Xi-Xiang Zhang, Ju Li, Evan Ma, Zhi-Wei Shan
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adma.201500377
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impact toughness of 0.3 mass% carbon tempered martensitic steels evaluated by instrumented charpy test (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Takebayashi, K. Ushioda, N. Yoshinaga, and S. Ogata
  • 雑誌名: Mater. Sci. Forum 巻: 783-786 ページ: 1033-1038
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.1033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Perspective of the <110> Symmetrical Tilt Grain 10.1007/s10853-014-8038-1 (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kr. Bhattacharya, S. Tanaka, Y. Shiihara and M. Kohyama
  • 雑誌名: J. Mater. Sci. 巻: 49 ページ: 3980
  • DOI: 10.1007/s10853-014-8038-1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 鉄中固体水素および炭素原子の拡散ダイナミクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 尾方成信
  • 雑誌名: ふぇらむ 巻: 19 ページ: 524-530
  • 査読あり
• [雑誌論文] Si Segregation at Fe Grain Boundaries Analyzed by Ab Initio Local Energy and Local Stress (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kr. Bhattacharya, M. Kohyama, S. Tanaka and Y. Shiihara
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 26 ページ: 355005
  • DOI: doi:10.1088/0953-8984/26/35/355005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 局所エネルギー・局所応力の第一原理計算法開発と材料界面への適用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 香山正憲, 田中真悟, 椎原良典
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 53 ページ: 405
  • DOI: http://doi.org/10.2320/materia.53.405
  • 査読あり
• [学会発表] 金属ガラスの緩和状態と変形様態との関係の原子論的解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宮崎成正, 譯田真人, 尾方成信
  • 学会等名: 日本金属学会春季（第156回）講演大会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] 局所エネルギー・局所応力法による第一原理引っ張り試験の解析：Al粒界, Cu粒界への適用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 王 昊, 香山 正憲, 田中 真悟, 椎原良典
  • 学会等名: 日本金属学会春季（第156回）講演大会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] Structural and Mechanical Properties of Rejuvenated Amorphous Metals (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigenobu Ogata, Masato Wakeda
  • 学会等名: 2015 TMS Annual Meeting & Exhibition
  • 発表場所: Orland, USA
  • 年月日: 2015-03-15 – 2015-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] Rejuvenation of Metallic Glasses Induced by Thermal and Pressure Loading (2015)
  • 著者名/発表者名: Masato Wakeda, Narumasa Miyazaki, Shigenobu Ogata
  • 学会等名: 2015 TMS Annual Meeting & Exhibition
  • 発表場所: Orland, USA
  • 年月日: 2015-03-15 – 2015-03-19
• [学会発表] 細粒銅結晶における粒界からの転位生成過程の加速分子動力学解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 斎木脩平, 辻眞望, 石井明男, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 日本機械学会 関西学生会平成26年度学生員卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] アンブレラサンプリングによる有限温度下の材料中点欠陥の拡散障壁評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高橋和平, 奥田龍, 石井明男, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 日本機械学会 関西学生会平成26年度学生員卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] kinetic Monte Carlo法によるFe-Si合金中のらせん転位ダイナミクスの評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口貴司, 田中柾伎, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 日本機械学会 関西学生会平成26年度学生員卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] 面欠陥を有する銅結晶の酸化と破壊の分子動力学計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 桐原圭吾, 新里秀平, 石井明男, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 日本機械学会 関西学生会平成26年度学生員卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 京都大学桂キャンパス
  • 年月日: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [学会発表] Local Energy and Local Stress in Density-Functional Theory Calculations of Materials (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kohyama, S. Kr. Bhattacharya, H. Wang, V. Sharma, S. Tanaka and Y. Shiihara
  • 学会等名: The 9th International Conference on Computational Physics (ICCP9)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2015-01-08 – 2015-01-08
• [学会発表] Adaptive-boost molecular dynamics simulation of thermally activated motions of crystal imperfections (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Ogata, A.Ishii, Y-.J. Wang
  • 学会等名: The 9th General Meeting of ACCMS-VO
  • 発表場所: Okinawa
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] First-principles derivation of nonlinear elastic constants of single crystals (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kimizuka, T. Nishino, and S. Ogata
  • 学会等名: The 9th General Meeting of ACCMS-VO
  • 発表場所: Okinawa
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [学会発表] First principle study of interaction between solute Si and screw dislocation in Fe-Si alloy (2014)
  • 著者名/発表者名: Masato Wakeda, and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: The 9th General Meeting of ACCMS-VO
  • 発表場所: Okinawa
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-22
• [学会発表] Ab Initio Local-Energy and Local-Stress Calculations: Applications to Materials Interfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kohyama, S. Kr. Bhattacharya, H. Wang, V. Sharma, S. Tanaka and Y. Shiihara
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) 2014 Fall Meeting
  • 発表場所: USA
  • 年月日: 2014-12-04 – 2014-12-04
• [学会発表] Density functional theory analysis of stability of Mg {10-12} <10-1-1> twin embryo and energetic of twin boundary migration (2014)
  • 著者名/発表者名: Akio Ishii, and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) 2014 Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Thermal Rejuvenation of Ternary Amorphous Alloy (2014)
  • 著者名/発表者名: Masato Wakeda, Narumasa Miyazaki, Junji Saida, Shigenobu Ogata
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) 2014 Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] 金属材料における拡散と変形の原子論的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 尾方成信
  • 学会等名: CMRI研究会
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所
  • 年月日: 2014-11-11 – 2014-11-11
  • 招待講演
• [学会発表] First-Principles Local-Energy and Local-Stress Analysis of Tensile Behavior of Grain Boundaries in Al and Cu (2014)
  • 著者名/発表者名: 王昊, 香山 正憲, 田中 真悟, 椎原良典
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-25 – 2014-09-25
• [学会発表] 離散転位動力学法によるFe-Si合金の転位挙動解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中柾伎, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] 粒界・界面の計算科学：これまでの発展と今後の展望 (2014)
  • 著者名/発表者名: 香山 正憲
  • 学会等名: 第24回格子欠陥フォーラム（日本物理学会領域10格子欠陥分科）
  • 発表場所: 岐阜県恵那
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] 局所エネルギー・局所応力の第一原理計算法開発：粒界の不純物偏析と局所弾性定数への適用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 香山 正憲, S. Kr. Bhattacharya, 王 昊, 田中 真悟, 椎原良典
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学春日井キャンパス
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-08
• [学会発表] Study of Energy Barrier for Screw Dislocation in Fe-Si alloys Using Line Tension Model (2014)
  • 著者名/発表者名: Shuhei Shinzato, Masato Wakeda, Hajime Kimizuka and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2014
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
• [学会発表] Atomistic Prediction of Solute Hardening and Softening in Fe-Si Alloys (2014)
  • 著者名/発表者名: Masato Wakeda, Hajime Kimizuka and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2014
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] Ab Initio Local Energy and Local Stress Applied to Materials Interfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kohyama, S. Kr. Bhattacharya, S. Tanaka, H. Wang, V. Sharma and Y. Shiihara
  • 学会等名: The 15th IUMRS International Conference in Asia (IUMRS-ICA2014)
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] Local Energy and Local Stress in Density-Functional Theory Calculations of Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kohyama
  • 学会等名: RIMS International Conference: Mathematical Challenge to a New Phase of Materials Science
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-05
  • 招待講演
• [学会発表] Atomistically Informed Creep Constitutive Equation of Nanocrystalline Metals (2014)
  • 著者名/発表者名: Yunjiang Wang and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: 11th World congress on computational mechanics (WCCM 2014)
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2014-07-20 – 2014-07-25
• [学会発表] Computational study of the effect of hydrostatic pressure on plastic deformation of metallic glass (2014)
  • 著者名/発表者名: Jacob Carlsson, Masato Wakeda and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: 11th World congress on computational mechanics (WCCM 2014)
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2014-07-20 – 2014-07-25
• [学会発表] Fe-Si 合金中の転位挙動の離散転位動力学解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中柾伎, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 第19回分子動力学シンポジウム
  • 発表場所: 福岡大学
  • 年月日: 2014-05-16 – 2014-05-16
• [学会発表] 外部負荷せん断応力下におけるらせん転位とSi原子との相互作用に関する 原子論的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 新里秀平, 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 第19回分子動力学シンポジウム
  • 発表場所: 福岡大学
  • 年月日: 2014-05-16 – 2014-05-16
• [学会発表] 原子論に基づくFe-Si合金の固溶強化・軟化予測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 譯田真人, 君塚肇, 尾方成信
  • 学会等名: 第19回分子動力学シンポジウム
  • 発表場所: 福岡大学
  • 年月日: 2014-05-16 – 2014-05-16
• [学会発表] 第一原理局所エネルギー・局所応力計算：金属粒界の不純物偏析と局所弾性定数 (2014)
  • 著者名/発表者名: 香山 正憲, S. Kr. Bhattacharya, 王 昊, 田中 真悟, 椎原良典
  • 学会等名: 日本材料学会第19回分子動力学シンポジウム
  • 発表場所: 福岡大学
  • 年月日: 2014-05-16 – 2014-05-16
• [学会発表] Ab Initio Local Energy and Local Stress: Essence of the Method and Recent Applications to Surfaces, Defects, and Interfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kohyama, S. Kr. Bhattacharya, H. Wang, V. Sharma, S. Tanaka and Y. Shiihara
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Advanced Microscopy and Theoretical Calculations, AMTC4
  • 発表場所: Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2014-05-06 – 2014-05-10
  • 招待講演
• [学会発表] Fast solute-atom diffusion channel in dislocation core (2014)
  • 著者名/発表者名: Akio Ishii, Ju Li, and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) 2014 Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2014-04-21 – 2014-04-25
• [学会発表] Atomistic Estimation of Critical Resolved Shear Stress in Fe-Si alloy (2014)
  • 著者名/発表者名: huhei Shinzato, Masato Wakeda, Hajime Kimizuka and Shigenobu Ogata
  • 学会等名: MRS Spring Meeting & Exhibit 2014
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2014-04-21 – 2014-04-25