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2016 年度 実施状況報告書

マルチスケール材料モデリングによるBCC金属の離散転位塑性解析の実現

研究課題

研究課題/領域番号 16K05044
研究機関東京理科大学

研究代表者

高橋 昭如  東京理科大学, 理工学部機械工学科, 准教授 (00366444)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード混合転位 / 分子動力学法 / 転位芯 / 転位動力学法 / 易動度 / BCC
研究実績の概要

今年度は,混合転位を含む原子モデルの作成方法の考案と混合転位芯の構造およびエネルギ解析に関する研究を実施した.
混合転位を含む原子モデル作成法については,周期的に配列された転位の原子モデルであるPeriodic Array of Dislocations (PAD)モデルを作成するために,転位線の方向と転位の移動方向に周期境界条件を与える必要がある.そのため,原子モデルの作成においては,その最小の単位である単位格子が周期性を持つことが必要である.そのような単位格子を作成するため,転位のすべり面上の原子配列の特性を分析し,任意の結晶方位の周期性を持つ単位格子の作成を可能とした.ここで構築した方法を計算コードに実装し,任意の方位を持つ原子モデルおよび混合転位の挿入までを自動化することに成功した.この計算コードを用いることで,以降の混合転位に関するパラメトリック研究を効率的に進めることが可能になった.
混合転位芯の構造およびエネルギ解析においては,様々な混合転位の転位芯構造を,共役勾配法を用いた原子位置の緩和計算を行うことで求めた.その結果,直線的な構造を持つ転位と,潜在的にキンクを有する転位芯構造があることがわかった.転位芯付近の原子のポテンシャルエネルギと,弾性論より求めた転位の自己エネルギの比較を行うことにより,各混合転位において,転位芯半径を求めることに成功した.また,パイエルス応力を求めた結果,直線的な転位芯構造を持つ転位のパイエルス応力が極端に大きな値となることがわかった.すなわち,直線的な転位芯構造を持つ転位は熱的な運動を行い,キンクを有する転位は非熱的な運動を行うことが予想される.
さらに,混合転位の非熱的運動の分子動力学モデリングに関する研究も開始し,様々な混合転位に対する様々な温度での転位の易動度や摩擦応力のデータ取得を行った.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

現在の進捗状況は,平成28年度に計画した研究内容である混合転位を含む原子モデルの作成方法の考案に成功し,また混合転位の転位芯の構造およびエネルギ解析を行うことができた.原子モデルの作成においては,原子モデル作成のためのコードを開発し,原子モデルの作成の自動化および効率化に成功した.転位芯の構造とエネルギ解析では,転位動力学解析で有用な転位芯半径の取得や転位の熱的および非熱的運動の分類に寄与するデータを取得することができた.さらに,平成29年度での実施を予定していた混合転位の非熱的運動の分子動力学モデリングにも着手し,転位の易動度や摩擦応力のデータの取得をすることができた.

今後の研究の推進方策

平成29年度は,転位の非熱的および熱的運動について分子動力学法を用いた数値シュミュレーションとその結果の分析およびモデリング研究を進める.
転位の非熱的運動の分子動力学モデリングでは,平成28年度に取得したデータに加え,さらに様々な混合転位および温度条件での易動度や摩擦応力のデータを分子動力学法による数値シミュレーションを用いて取得する.さらに平成30年度での転位動力学法への易動度や摩擦応力の実装に向けて,易動度の定式化(モデリング)を行う.
転位の熱的運動の分子動力学モデリングでは,転位芯の構造分析において非熱的運動を行うことが予想された混合転位に対してNudged Elastic Band (NEB)法を用いたMinimum Energy Path (MEP)解析を用いて,熱的運動のメカニズムであるキンク対形成のエネルギの算出を行う.さらにせん断応力を負荷した場合のキンク対形成のエネルギの算出を行い,せん断応力に対する依存性を調べ,モデル化する.

次年度使用額が生じた理由

物品費として購入した設備(ワークステーション)の価格および国際会議出張のための旅費の額が,予算の計算時から変化したため,差額が生じ次年度使用額が生じた.

次年度使用額の使用計画

平成29年度では,分子動力学法を用いた転位運動のモデリングが予定されているため,平成28年度以上の計算量および計算データの取得が見込まれる.そこで,計算データ保管のための装置の購入のための使用を予定している.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Atomistic-continuum hybrid analysis of dislocation behavior in spinodally decomposed Fe-Cr alloys2017

    • 著者名/発表者名
      A. Takahashi, M. Kanazawa
    • 雑誌名

      MATEC Web of Science

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 分子動力学法を用いたBCC鉄中の混合転位の挙動解析2016

    • 著者名/発表者名
      高橋一貴,高橋昭如,野本明義
    • 雑誌名

      第21回計算工学講演会講演論文集

      巻: 21 ページ: -

  • [学会発表] Multiscale modeling of dislocation behavior in BCC metals2017

    • 著者名/発表者名
      A. Takahashi, K. Takahashi
    • 学会等名
      4th Japanese-German Workshop on Computational Mechanics
    • 発表場所
      東北大学(宮城県・仙台)
    • 年月日
      2017-03-27 – 2017-03-27
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dislocation Dynamics Modeling of Material Strength Change in Spinodally Decomposed Ferritic Fe-Cr Alloys2016

    • 著者名/発表者名
      T. Suzuki, A. Takahashi, A. Nomoto
    • 学会等名
      Dislocations 2016
    • 発表場所
      パデュー大学(アメリカ)
    • 年月日
      2016-09-19 – 2016-09-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Temperature Dependence of Mixed Dislocation Mobility in BCC Iron2016

    • 著者名/発表者名
      K. Takahashi, A. Takahashi, A. Nomoto
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Fracture & Strength of Solids
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都・葛飾区)
    • 年月日
      2016-08-31 – 2016-08-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermally Activation Process and Energy of Mixed Dislocations in alpha-Fe2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yang, K. Takahashi, A. Takahashi
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Fracture & Strength of Solids
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都・葛飾区)
    • 年月日
      2016-08-31 – 2016-08-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of the Influence of Spinodal Decomposition on Material Strength in Fe-Cr Binary Alloys2016

    • 著者名/発表者名
      T. Suzuki, A. Takahashi, A. Nomoto
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Fracture & Strength of Solids
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都・葛飾区)
    • 年月日
      2016-08-31 – 2016-08-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Dynamics Modeling of Mixed Dislocation Kinetics in BCC Iron2016

    • 著者名/発表者名
      K. Takahashi, A. Takahashi, A. Nomoto
    • 学会等名
      The 12th World Congress on Computational Mechanics
    • 発表場所
      ソウル(韓国)
    • 年月日
      2016-07-26 – 2016-07-26
    • 国際学会
  • [学会発表] 転位の原子スケールモデリングによるマルチスケール塑性変形解析の高精度化に向けて2016

    • 著者名/発表者名
      高橋昭如
    • 学会等名
      第3回SIPコロキウム「マルチスケール力学の現状と課題」
    • 発表場所
      東京大学駒場リサーチキャンパス(東京都・目黒区)
    • 年月日
      2016-07-13 – 2016-07-13
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子動力学法を用いた金属中の転位挙動モデリング2016

    • 著者名/発表者名
      高橋昭如
    • 学会等名
      日本複合材料学会分子シミュレーション研究会第9回総会講演会
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都・葛飾区)
    • 年月日
      2016-06-18 – 2016-06-18
    • 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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