多変量解析を利用した調和組織材料の力学特性設計指針の確立

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K06870
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 川畑 美絵 (太田美絵) 立命館大学, 理工学部, 助教 (30710587)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 粉末冶金 / 強度延性バランス / 多変量解析

研究実績の概要

調和組織材料の機械的特性を支配する組織因子を抽出し、多変量解析（重回帰分析）を利用して、調和組織制御によって発現する機械的特性の予測を可能にすることが本研究課題の目的である。合金化に頼らない材料強化法として注目されている調和組織材料の優れた機械的特性と、その特性を支配する組織因子の関係を、統計学の手法を用いて『見える化』することで、実用化に向けた力学特性設計指針を確立する。
本研究課題では、(1)調和組織材料において、機械的特性への影響度の高い組織因子を抽出し、(2)多変量解析を用いて機械的特性を予測するための関数式を立てることで、調和組織制御により発現する機械的特性の予測を可能にする。具体的には、組織因子を変化させた試作を行い、力学的特性に影響度が高い因子を抽出して説明変数を決定する。次に、複数の説明変数の条件を変化させた試作を行い、重回帰分析により関数式を立式する。その後、得られた関数式から予測した機械的特性が実際に得られるか、検定試作を行い、関数式の精度を高める。
今年度は、当初の計画を変更して、調和組織を二元モデル化して、有限要素法解析（FEM解析）による変形シミュレーションに取り組んだ。多変量解析により得られた最適条件を検証するに当たっては、実験ベースは実施が困難な場合が予測され、シミュレーションによる検証が必要と判断したためである。
粗大結晶粒領域（Core）の寸法は一定とし、微細結晶粒領域（Shell）の幅を20μm～60μmに変化させたところ、shellの幅が広がるほど強度は上昇する結果を得た。この結果は、これまでの実験データと一致する。一方で、shell幅の増加に伴い強度の上昇率は低下し、shell幅による強度向上には限界があることが示された。これは予想外の結果であり、実験結果とのフィッティングが今後の課題である。

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

今年度の課題は、機械的特性への影響度の高い組織因子の抽出である。当初予定では、抽出した組織因子により重回帰分析を行う予定であったが、それに先立ち、調和組織を二次元モデル化して、有限要素法解析（FEM解析）による変形シミュレーションを実施した。FEM解析により、実験ベースでは実施が困難な条件であっても予測・検証することが可能になるからである。
粗大結晶粒領域（Core）の寸法は一定とし、微細結晶粒領域（Shell）の幅を20μm～60μmに変化させたところ、shellの幅が広がるほど強度は上昇する結果を得た。この結果は、これまでの実験データと一致する。まだ不十分な点もあるが、モデルの精度を上げることで解析精度も向上すると見込まれる。

今後の研究の推進方策

今年度のシミュレーションは、粗大結晶粒領域（Core）の寸法は一定とし、微細結晶粒領域（Shell）の幅を20μm～60μmに変化させて行った。来年度は、Shellを一定としてCoreを変化させた場合や、両方を変化させた場合など、条件のバリエーションを広げる計画である。
調和組織を構成する組織因子には、現在わかっているだけで、①微細粒領域の平均粒径、②粗大粒領域の平均粒径、③微細粒領域の面積割合、④ネットワークのサイズ、などが挙げられる。また、これらの組織因子は、原料粉末の粒子径、加工時間、焼結条件などによって変化する。シミュレーションの結果と、実験試作によって得られたデータとの間の整合性を取りながら、力学的特性に影響度が高い因子を抽出して、調和組織の最適化に取り組む。