2019 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling-based investigation of mechanism of kink deformation and strengthening
| Project Area | Materials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle- |
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| Project/Area Number |
18H05480
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
君塚 肇 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60467511)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
板倉 充洋 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (90370353)
只野 裕一 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (00346818)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 原子論的解析 / 大規模第一原理計算 / 高次勾配結晶塑性論 / 結晶塑性有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，最終目標であるミルフィーユ構造におけるキンク形成・強化のメカニズム解明に向けて，Mg基LPSO構造を中心とする金属系ミルフィーユ構造から高分子系，セラミックス系にも対象を広げ，基軸となる手法の構築・検証および計算コードの整備を実施するとともに，実験班から供与された知見を適宜活用してキンク形成過程のモデル化を実施し，キンクが力学特性・強化に与える影響の検討を進めた．具体的には，以下の5項目について研究を遂行した．
(1) 高分子系ミルフィーユ構造におけるキンク形成のメカニズムとその支配因子を明確化するため，共重合高分子のラメラ状ミクロ相分離構造に注目し，粗視化粒子に基づくモデル化を実施するとともに，ミルフィーユ構造中のキンク形成過程の解析を行った．その結果，ラメラ積層の面外垂直方向の単軸引張過程において，波打ち不安定の発現からキンク形成に至る分子鎖レベルの描像を明らかにした．
(2) 金属系ミルフィーユ構造中の溶質クラスタの形成キネティクスの温度依存性を明らかにすることを目的として，置換型合金中のナノ析出物形成の時間発展を記述する速度論的解析の枠組みを構築した．
(3) キンク強化現象を考察・検証する上で重要な転位と溶質原子クラスタ間の相互作用に関する知見を得ることを目的に，大規模第一原理計算を活用してMg基LPSO構造を対象とした溶質原子クラスタの生成過程を評価した．
(4) キンク強化に適したキンク形態を模索するため，高次勾配結晶塑性論を導入したメッシュフリー解析手法を活用し，特にキンク領域と領域外の底面の角度差と流れ応力の上昇の相関について詳細な数値解析と評価を実施した．
(5) 組織型ミルフィーユ構造におけるキンク帯形成を含む不均一変形発現機構を明らかにするために，積層構造を有する共晶合金を想定した結晶塑性有限要素解析を実施した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究を遂行するにあたり，「キンク形成原子論解析用並列計算機増設モジュール」（大阪大学），「キンク構造電子論解析用データ可視化ディスプレイ」（日本原子力研究開発機構），「キンク形成マルチスケール解析用可視化ワークステーション」（佐賀大学）を導入し，研究基盤を整備した．また，キンクの形成過程の解析およびキンクが力学特性・強化に与える影響の解析に際して，研究が密接に関連するA02班を中心に，領域内の計画班，公募班の関連研究者間で研究会を計8回実施し，実験的知見に基づく結晶幾何学的モデルや応力－ひずみ特性等の情報提供を受けるとともに，計算材料科学の立場から検証が必要なモデルケースおよび物性値に関して議論・検討した．また，国内の関連学協会において積極的に発表・議論することに加えて，異分野学会主催の研究会等の機会を活用して情報発信を行うなど，研究成果の広報活動を展開した．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，これまでに構築した研究基盤に立脚し，以下に挙げる課題に取り組む．これらは，種々のミルフィーユ構造におけるキンク形成からキンク強化に至るメカニズムを解明するための重要な因子であり，他班と連携研究を進める上での基盤的知見となる．
(1) 加速分子動力学法，粗視化分子動力学法等の分子シミュレーションを活用したミルフィーユ構造の塑性変形素過程の温度・応力依存性の評価，ならびにキンクの幾何学的特徴を有した界面の形成過程に関する原子・分子論的情報の獲得．
(2) 大規模第一原理計算を活用した溶質クラスタと転位との相互作用の定量評価，ならびに原子拡散過程を考慮した溶質クラスタの形成過程の電子論的検討．
(3) 高次勾配結晶塑性論に基づくメッシュフリー解析手法を活用した，キンク強化に最適なキンク形態に関する体系的調査，ならびに当該手法に基づくキンク形成シミュレーションの実現．
(4) 結晶塑性有限要素法を活用したMg基LPSO相多結晶体および共晶合金の系統的変形解析の実施とキンク帯形成の支配因子の抽出，ならびに実験結果との比較を通じた応力－ひずみ挙動，変形帯の形成挙動等に関する定量的検討．
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