| 研究課題/領域番号 |
18K18939
|
|---|
| 研究機関 | 岐阜大学 |
|---|
研究代表者 |
屋代 如月 岐阜大学, 工学部, 教授 (50311775)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2021-03-31
|
| キーワード | 切断 / 分子動力学シミュレーション / ナノメートル刃 / 切断面 / 表面粗さ |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究はナノメートルでの「切断」の科学として，材料内に刃先が進入し，分離するという現象に焦点を当てて，様々な分子動力学（MD）シミュレーションを行い，ワークの材料や結晶方位，刃先形状，刃先とワークの相互作用（モデルポテンシャルにより引力・斥力をあえて大きく振った検討など），温度など，様々な要因が切断・分離現象（切断面の荒れや離れた場所でのクラック発生など）に及ぼす影響を検討する．
本年度は，bcc-Feおよびfcc-Alの薄板ワークにbcc-Fe単結晶の剛体ツールを押し込んで両断する切断シミュレーションを分子動力学により行った．ツール先端角度を変えた検討では，Feワークは刃が鋭いと切断時の転位射出が促進され比較的横方向に変形しやすく，きれいな切断面が得られたが刃の角度が大きくなると切断時に刃の前方に亜結晶が成長し，亜粒界での巨視的なすべりなどが生じて切断面が粗くなった．Alワークでも亜結晶の成長に伴い，亜結晶と母材の間で割れが起こることが示された．
次に，ワークを多結晶体として切断シミュレーションを行い，粒界が切断面に及ぼす影響について検討した．平均結晶粒径が異なる二つの2次元ボロノイ多結晶と単結晶を対象に，先端角30°のツールで押し込みを行った結果，反力は単結晶と多結晶で大きな差はなく，Alワークの反力はほとんどない．Fe単結晶は前述のように射出転位による変形が支配的であったが，多結晶Feワークでは転位は粒界によって妨げられ，双晶変形が主な変形機構となった．Al多結晶ワークでは粒界での割れ・すべりが容易に起こり，空隙がワーク内部に観察された．Fe，Alとも多結晶ワークでは，刃先に数原子層の「膜」が存在し，これが母相のワークから分離する際に切断面の荒れを生じることがわかり，これをコントロールすることが良い切断面を得るために重要であることが示唆された．
|
| 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
ナノインデンテーションに関する原子シミュレーションは多数行われているが，それを更に進めて「切断」まで想定したシミュレーション研究は無い．Fe，Alについて行った成果によって，刃先の結晶構造に同化した膜の形成・変形挙動が重要であることを明らかにしている．ここで，刃先の結晶方位およびワークとの親和性＝異原子間の相互作用によって膜の有無が変わるのか興味深いところである．そこで，まだ論文としてはまとめていないが，hcp-Mgや3C-SiCの切断シミュレーションなどをすでに実施済みである．Mgでも膜は確認されたが，SiCでは形成されないことを確認している．ただし，Mgの切断シミュレーションでは刃を剛体Mgとしているため非常に親和性が高く膜形成しやすい条件であるのに対し，SiCは剛体ダイヤモンドの刃としている違いがあるのでさらなる検討が必要と考える．これまで培ったシミュレーション条件や現象観察のノウハウを活かして，刃先の切断現象における膜の役割をさらに検討する予定である．特に，これまでは刃を剛体としていたが，刃の変形を考慮した切断シミュレーションが必要と考える．ナノインデンテーションでも刃側の変形を考慮した研究は無く，新しい知見が期待される．これまで汎用分子動力学コードLAMMPSを使用してきたが，多数の原子の組み合わせを扱えるポテンシャル関数は提供されていないため，fcc 8種，bcc 4種，hcp 4種の相互作用を提供しているGEAMポテンシャルで独自コードを開発し，切断シミュレーションを実施可能な環境を整えている．
|
| 今後の研究の推進方策 |
当初計画では二年目に大規模化を目指していたが，切断初期の刃先の現象に限って言えばまだまだ様々な原子の組み合わせや刃先形状，刃の変形など検討すべき課題が多いため，直接的なスケールアップは得策でないと考え直している．すなわち，原子数万～数十万レベルの系で様々な金属元素・刃先形状や結晶方位を考慮した検討を多数展開する方が切断現象の解明・モデル化につながる知見を得られるものと考える．進捗状況でも述べたように，GEAMポテンシャルでの独自コード構築が完了したので，まずは刃の変形を考慮した切断シミュレーションを，様々なワーク，ならびに結晶方位で実施する予定である．現在テスト計算として放物線ならびにくさび形状のナノFe刃でAlを切断するシミュレーションを行っているが，同じ結晶方位系([100]-[010]-[001])でワーク，刃を構成した条件で行ったところいずれもFeナノ刃が変形し曲がって侵入することがわかっている．結晶方位，表面構造などで「曲がらずに侵入させる」という新しい課題が，刃の変形を考えたシミュレーションで示唆されたものと考えている．なお，今回のテスト計算はワークの横方向に周期境界を与えており非常に弾性ひずみが大きくなる条件である．ナノレベルのワークで自由境界としたときは，今回のような刃の変形による切断方向の変化は小さくなる可能性がある．そのような要因も考慮しながら，ナノメートルでの切断現象解明につながる研究を進めて行く予定である．
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
100円以下と少額であるため使い切る必要はないと考えた．次年度消耗品に回す．
|
