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2019 年度 実績報告書

強度と延性を両立する材料設計のための学理構築

研究課題

研究課題/領域番号 17H01238
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 石井 明男 (シャードンバオ)  大阪大学, 基礎工学研究科, 特任講師(常勤) (80773340)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2022-03-31
キーワード強度と延性 / 塑性変形 / 変形素過程 / 電子・原子論 / 熱活性化解析
研究実績の概要

構造物を構成する構造材料には強度と延性と靱性が高次元でバランスすることが要求されるが、強度と延性・靱性は一般的にトレードオフの関係にある。本研究の目的は、このトレードオフ関係を打ち破る指針を与える普遍的な学理を構築し、その指針に基づき実際に材料を創製し、学理を実証することにある。そのためのひとつの題材として、昨年度は、初年度の研究で特に興味深い挙動を示したMg金属中の{10-12}双晶核生成およびその成長過程を対象として、その熱活性化頻度の応力、温度、活性化場所依存性を、分子動力学法、および加速分子動力学法を用いて定量的に解析し、それらのデーターベース化を実施した。しかし、昨年度までは準2次元モデルを用いていたため、実際の双晶境界の移動素過程の振る舞いを幾何学的に完全に捉えることができていない可能性や、さらには、移動素過程の活性化自由エネルギーの温度依存性を絶対0度で解析値を使ったモデル式を用いて予測していたため、温度依存性が正しく評価されていない可能性があった。そこで本年度は、モデルを3次元モデルに拡張し、加えて、有限温度での活性化自由エネルギーを直接求めることができるprojected average force integrator (PAFI) methodを新たに用いることで、双晶変形に必要なマクロな臨界応力とその温度およびひずみ速度依存性を解析することに成功した。その過程で、双晶境界の移動、すなわち双晶の成長は双晶面上にキンクループが核生成しそれが広がることで実現されていることを明らかにした。また、活性化エネルギーの温度依存性から、活性化エントロピーの温度依存性が高温で顕著になることを発見した。これらの成果により、塑性変形素過程の活性化体積、活性化エントロピーを原子論から得ることができるようになった。さらには、新しい活性化パラメータである活性化超過粒子数の概念を提案し、その妥当性についての検証を開始した。

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

Mg双晶の解析の3次元化に伴って、やや予定より時間がかかったが、その一方で、活性化エントロピーの温度依存性に関する知見の獲得や、活性化超過粒子数の提案など予想以上に新しい成果をあげることができており、全体として順調に進展している。

今後の研究の推進方策

まず、今回新たに提案した活性化超過粒子数の概念の妥当性を原子論的な解析に基づいて検証する。それが成功すれば、任意の塑性変形素過程の3つの活性化パラメータ、すなわち、活性化体積、活性化エントロピー、活性化超過粒子数を原子論的な解析により得ることができるようになる。その後、これらの活性化パラメータを用いた動的な応力ひずみ関係式(構成式)の構築を行い、最終的には、強度と延性のトレードオフを打ち破るための普遍的材料設計指針の構築につなげる。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 1件)

  • [雑誌論文] An Atomistic Modeling Study of the Relationship between Critical Resolved Shear Stress and Atomic Structure Distortion in FCC High Entropy Alloys2020

    • 著者名/発表者名
      Md. Lokman Ali, Shuhei Shinzato, Vei Wang, Zeqi Shen, Jun-ping Du, Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      Materials Transactions

      巻: 61 ページ: 605-609

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MK2019007

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Anomalous solution softening by unique energy balance mediated by kink mechanism in tungsten-rhenium alloys2020

    • 著者名/発表者名
      Tomohito Tsuru, Masato Wakeda, Tomoaki Suzudo, Mitsuhiro Itakura, and Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 127 ページ: 025101-0-9

    • DOI

      10.1063/1.5131279

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phase transformation assisted twinning in a face-centered-cubic FeCrNiCoAl0.36 high entropy alloy2019

    • 著者名/発表者名
      Peijun Yu, Rui Feng, Junping Du, Shuhei Shinzato, Jyh-Pin Chou, Bilin Chen, Yu-Chieh Lo, Peter K. Liaw, Shigenobu Ogata, Alice Hu
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 181 ページ: 491-500

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.10.012

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Structural relaxation affecting shear-transformation avalanches in metallic glasses2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Niiyama, Masato Wakeda, Tomotsugu Shimokawa, Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 100 ページ: 043002-1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.100.043002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An atomistically informed kinetic Monte Carlo model for predicting solid solution strengthening of body-centered cubic alloys2019

    • 著者名/発表者名
      Shuhei Shinzato, Masato Wakeda, Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      International Journal of Plasticity

      巻: 122 ページ: 319-337

    • DOI

      10.1016/j.ijplas.2019.03.004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Controlled growth of single-crystalline metal nanowires via thermomigration across a nanoscale junction2019

    • 著者名/発表者名
      De-Gang Xie, Zhi-Yu Nie, Shuhei Shinzato, Yue-Qing Yang, Feng-Xian Liu, Shigenobu Ogata, Ju Li, Evan Ma, Zhi-Wei Shan
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 4478-1-8

    • DOI

      10.1038/s41467-019-12416-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Atomistic prediction of the temperature- and loading-rate-dependent first pop-in load in nanoindentation2019

    • 著者名/発表者名
      Yuji Sato, Shuhei Shinzato, Takahito Ohmura, Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      International Journal of Plasticity

      巻: 125 ページ: 280-292

    • DOI

      10.1016/j.ijplas.2019.06.012

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature-dependent nucleation kinetics of Guinier-Preston zones in Al-Cu alloys: An atomistic kinetic Monte Carlo and classical nucleation theory approach2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Miyoshi, Hajime Kimizuka, Akio Ishii, Shigenobu Ogata
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 179 ページ: 262-272

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.08.032

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomistic insights on the influence of pre-oxide shell layer and size on the compressive mechanical properties of nickel nanowires2019

    • 著者名/発表者名
      Gurcan Aral, Md Mahbubul Islam, Yun-Jiang Wang, Shigenobu Ogata, and Adri C. T. van Duin
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 125 ページ: 165102-1-13

    • DOI

      10.1063/1.5080640

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Mechanism of Hardening and Damage Initiation in Oxygen Embrittlement of Body-Centred-Cubic Niobium2019

    • 著者名/発表者名
      Ping-Jiong Yang, Qing-Jie Li, Tomohito Tsuru, Shigenobu Ogata, Jie-Wen Zhang, Hong-Wei Sheng, Zhi-Wei Shan, Gang Sha, Wei-Zhong Han, Ju Li, Evan Ma
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 168 ページ: 331-342

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.02.030

    • 査読あり / 国際共著

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公開日: 2021-12-27  

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