多成分系拡散のタイライン・シフト現象に立脚する凝固ミクロ偏析の新規制御法

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25289266
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 大野 宗一 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30431331)
• 研究分担者: 澁田 靖 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401124)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: ミクロ偏析 / フェーズフィールド法 / 凝固 / 分子動力学法 / デンドライト組織

研究実績の概要

本研究は、合金凝固におけるミクロ偏析制御のための新しい方法を発展させることを目的とし、多元系合金の溶質拡散におけるタイライン・シフト現象の解明と、それを利用した新たな指導原理の発展を試みた。そのため、fast diffuserとslow diffuserを含んだ合金系を対象に、鋳造実験によるミクロ偏析の解析、組織形成シミュレーションによるミクロ偏析におけるタイライン・シフト現象の影響解明、原子シミュレーションによる組織形成を支配する高温物性値の算出に取り組んだ。仮想的な合金系でタイライン・シフトの影響の詳細を系統的に明らかにした後、主にFe-C-Mn合金を対象に具体的な検証を行った。その代表的な成果を以下にまとめる。
(1) タイライン・シフトが生じることによって、slow diffuserのミクロ偏析は低減する
(2) その低減量は、fast diffuserとslow diffuserの液相中拡散係数の差が大きいほど、冷却速度が高いほど、slow diffuserの添加量が相対的に多いほど、大きくなる
(3)　slow diffuserの存在は、凝固組織の微細化にもつながるため、組織変化の影響によっても、slow diffuserのミクロ偏析は低減する
(4)　Fe-Mn合金におけるMnのミクロ偏析は、Cを微量添加することで、タイライン・シフトが生じ、Mnの偏析が低減する

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27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] Submicrometer-scale molecular dynamics simulation of nucleation and solidification from undercooled melt: linkage between empirical interpretation and atomistic nature (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Shibuta, S. Sakane, T. Takaki, M. Ohno
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 105 ページ: 328-337
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2015.12.033
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Variational formulation and numerical accuracy of a quantitative phase-field model for binary alloy solidification with two-sided diffusion (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, T. Takaki, Y. Shibuta
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 93 ページ: 012802-1-20
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.93.012802
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two-dimensional phase-field study of competitive grain growth during directional solidification of polycrystalline binary alloy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Takaki, M. Ohno, Y. Shibuta, S. Sakane, T. Shimokawabe, T. Aoki
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 442 ページ: 14-24
  • DOI: /10.1016/j.jcrysgro.2016.01.036
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microsegregation in multicomponent alloy analyzed by quantitative phase-field model (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, T. Takaki and Y. Shibuta
  • 雑誌名: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 巻: 84 ページ: 012075-1-8
  • DOI: 10.1088/1757-899X/84/1/012075
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Solidification in Supercomputer: from Crystal Nuclei to Dendrite Assemblages (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shibuta, M. Ohno and T. Takaki
  • 雑誌名: JOM 巻: 67 ページ: 1793-1804
  • DOI: 10.1007/s11837-015-1452-2
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Homogeneous nucleation and microstructure evolution in million-atom molecular dynamics simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shibuta, T. Takaki andn M. Ohno
  • 雑誌名: Scientific Reports, 5 (2015), 13534. 巻: 5 ページ: 2374-2382
  • DOI: 10.1038/srep13534
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Quantitative phase-field modeling and its application to investigation of dendritc growth in alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, T. Takaki, Y. Shibuta
  • 学会等名: Symposium on Simulation of Phase Transformation and Microstructure Evolution of Materials
  • 発表場所: Korea Institute of Materials Science(KIMS), Korea
  • 年月日: 2016-03-31 – 2017-04-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantitative phase-field simulation of formation of dendritic structures during alloy solidification processes (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno
  • 学会等名: 14th International Union of Materials Research Societies-International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM2015)
  • 発表場所: ICC Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-10-26 – 2015-10-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantitatie phase-field simulations for microstructural evolution processes in carbon steels (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, Y. Shibuta, T. Takaki
  • 学会等名: 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics (IWACOM-III)
  • 発表場所: KFC Hall, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-10-14 – 2015-10-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 三元系合金のミクロ偏析に及ぼすタイライン・シフトの影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大野宗一
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会 第170回秋季講演大会
  • 発表場所: 九州大学、福岡市
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
• [学会発表] Microsegregation in multicomponent alloys analysed by quantitative phase-field model (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, T. Takaki, Y. Shibuta
  • 学会等名: Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP XIV 2015)
  • 発表場所: Awaji Yumebutai International Conference Center, Japan
  • 年月日: 2015-06-21 – 2015-06-26
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative phase-field modelling for solidification with coupled heat and solute (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ohno, T. Takaki and Y. Shibuta
  • 学会等名: VI International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, COUPLED PROBLEM 2015
  • 発表場所: San Sevolo, Venice, Italy
  • 年月日: 2015-05-18 – 2015-05-20
  • 国際学会