• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2019 Fiscal Year Annual Research Report

Modeling of solidification dynamics supported by 3D time-resolved in-situ observations

Research Project

Project/Area Number 17H06155
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

安田 秀幸  京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 吉矢 真人  大阪大学, 工学研究科, 准教授 (00399601)
森下 浩平  九州大学, 工学研究院, 准教授 (00511875)
鳴海 大翔  京都大学, 工学研究科, 助教 (20827448)
Project Period (FY) 2017-05-31 – 2022-03-31
Keywords凝固 / 結晶成長 / 鋳造 / その場観察 / 放射光 / イメージング / 相変態 / トモグラフィー
Outline of Annual Research Achievements

三次元時間分解・その場観察手法の開発・結晶方位のその場解析:
透過像を撮影するビームモニタ,回折を測定する二つの二次元検出器(距離0.3-0.5m,2.0-2.5m)を使った装置による結晶方位分布,格子定数の測定を実現した.また,高エネルギー成分を除去した白色X線による4D-CT(時間0.5s毎,ボクセル6.5ミクロン角)によりAl,Fe合金の凝固組織の高速観察を実現した.
三次元組織解析手法の開発:
フェーズフィールド(PF)モデルを用いた画像処理(PFF)を開発し,適用範囲について検討を行った.PFFでは未PFF処理の再構成像から求めた固相率と組織をそれぞれ拘束条件,初期値として,時間発展の支配方程式により画像処理する.界面曲率を一定にするように界面を補正するこの手法は,一般的な画像処理に比べて,凝固組織,特にデンドライト組織の再現に有効であった.
凝固過程の組織の定量化・凝固現象のモデリング・シミュレーション:
引き続きFe-C系においてBCC(デルタ相)からFCC(ガンマ相)へのマッシブ的変態について調べ,変態時に形成される微細なガンマ相とその粗大化が,その後の組織形成に影響していることが実証された.例えば,固液共存域でマッシブ的変態が起こると,ガンマ相の粒界が溶解し,デンドライトアームの溶断現象が起こる.さらに,微細ガンマ粒とその後の粗大化の機構を理解するための測定を開始した.また,球状黒鉛鋳鉄では,バルク試料の三次元観察により核生成後のGr(グラファイト)粒の浮上とオーステナイトへの捕捉がGr組織を決定すること,Al合金の等軸晶の形成では浮上・沈降も組織を決定する因子であることを明らかにした.さらに,PFFによりデンドライト組織の定量化(固液界面積,曲率,アーム間隔)を実現した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本課題の目的は,金属合金の凝固組織形成の時間分解・その場観察を実現するコンピュータトモグラフィー(4D-CT)を開発し,凝固現象の理解の基礎となるミクロからメゾスケールの凝固組織・偏析の時間発展,固液共存体の脆化発現を定量的に明らかにすることである.
三次元時間分解その場観察手法・三次元組織解析手法の開発:
高時間分解能観察(時間分解0.5s・空間分解6.5ミクロン),高空間分解能観察(20s・0.5ミクロン)を実現し,当初の目標である10sごとの高空間分解能観察も達成できる見込みができた.結晶方位のその場測定の開発も終え,目標であった組織と結晶方位の同時測定を実現した.また,フェーズフィールドモデルを利用した再構成手法により,想定以上にデンドライトの定量解析が進展した.また,格子定数の測定による温度測定の向上に取り組んでいる.以上より,手法開発は順調に進んでいると判断できる.
凝固過程の組織の定量化・モデリング・シミュレーション:
従来手法では獲得できなかった定量的データ(固液界面積や固液界面の曲率)の時間発展を先に述べた測定手法を使って測定している.Al合金,Fe合金,Ni合金,多元系(ハイエントロピー合金を含む)の定量データを獲得するとともに,これらの冷却条件や固相率の依存性を系統的に解析している.さらに,定量データを利用し,偏析などの実証的な凝固現象のモデリング・シミュレーションの構築を行っている.また,マッシブ的変態とその後の組織形成の機構を解明するために4D-CTを利用した体積変化や格子定数変化の測定などを実施する段階になった.研究実績の概要で述べたように,獲得したデータに基づいたモデリングも行っており,予定した実証的モデル構築に向けて研究を進めている.

Strategy for Future Research Activity

三次元時間分解・その場観察手法の開発:これまでの成果に基づいて,目標である高空間分解能観察(10s程度・1ミクロン)を実現する予定である.すでに時間分解20s程度・空間分解0.5ミクロンを実現しており,装置・観察条件の変更により実現すると考えている.4D-CTなどの実験と熱力学原理に基づいたフェーズフィールドモデルに画像処理を組み合わせた手法は,デンドライト組織に再現に有効であることが明らかになっている.今後,フェーズフィールドモデルの時間発展計算なども含めて,時間分解・その場観察(二次元,三次元)の新たな解析手法として確立することを目指す.
凝固過程の組織の定量化:これまでに実施したFe-C系のマッシブ的変態,オーステナイトの粗大化から鋳造欠陥形成との関係, 鋳鉄やアルミ合金の組織形成機構の理解を深化させる.また,着手している4D-CT(組織と体積)とX線回折(結晶方位分布,格子定数の変化)を発展させて,4D-CTの短所であった温度精度の向上に取り組み,熱的にも精度の高い定量データの獲得を目指す.また,4D-CTを利用した固液共存体の変形を実施し,新たな実験手法として確立する.
凝固現象のモデリング・シミュレーション:凝固組織の形態(形状,デンドライトアームの発達)と定量データ(体積,固液の界面積,固液界面の曲率)を利用した凝固現象のモデリングを進める.さらに,固液共存体の変形では,固相粒子の運動(並進・回転)の定量化を実現し,固液共存体の変形機構の検証,モデル構築を目指す.これらの取り組みからマクロ偏析モデル,固液共存体の変形を取り扱うマクロモデルなどの発展を目指す.デンドライトアームの溶断・分離,粒界での溶断,固液共存体の変形帯での溶断などの観察結果を理解するため,格子静力学やフェーズフィールドモデルといった計算材料科学からの知見も含めたモデル化も進める.

  • Research Products

    (46 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (17 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 17 results,  Open Access: 6 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Queensland University(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      Queensland University
  • [Int'l Joint Research] Imperial college London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      Imperial college London
  • [Int'l Joint Research] Universiti Malaysia Perlis (UniMAP)(マレーシア)

    • Country Name
      MALAYSIA
    • Counterpart Institution
      Universiti Malaysia Perlis (UniMAP)
  • [Journal Article] Time-resolved and In-situ Observation of δ-γ Transformation during Unidirectional Solidification in Fe-C Alloys2020

    • Author(s)
      Nishimura Tomohiro、Morishita Kohei、Yoshiya Masato、Nagira Tomoya、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 60 Pages: 930~938

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-636

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In-situ Measurements of Solute Partition Coefficients between Solid and Liquid Phases in Fe-Cr-Ni-Mo-Cu Alloys during Solidification2020

    • Author(s)
      Kobayashi Yusuke、Dobara Kento、Todoroki Hidekazu、Nam Cheolhee、Morishita Kohei、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 60 Pages: 276~285

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-444

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Time Evolution of Solidification Structure in Ductile Cast Iron with Hypereutectic Compositions2020

    • Author(s)
      Chatcharit Kiattisaksri、Sugiyama Akira、Morishita Kohei、Narumi Taka、Kajiwara Kentaro、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      International Journal of Metalcasting

      Volume: 14 Pages: 794~801

    • DOI

      10.1007/s40962-020-00424-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Rheological transitions in semi-solid alloys: In-situ imaging and LBM-DEM simulations2020

    • Author(s)
      Su T.C.、O'Sullivan C.、Yasuda H.、Gourlay C.M.
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 191 Pages: 24~42

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2020.03.011

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Observation of semisolid deformation by using 4D-CT and 3DXRD2020

    • Author(s)
      T. Narumi, T. Nakata, H. Yasuda
    • Journal Title

      IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,

      Volume: 未定 Pages: 印刷中

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In situ observation of austenite coarsening induced by massive-like transformation during solidification in Fe-C alloys2020

    • Author(s)
      H. Yasuda, T. Suga, K. Ichida, T. Narumi, K. Morishita
    • Journal Title

      IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,

      Volume: 未定 Pages: 印刷中

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characterization of Growing Dendrites in CrMnFeCoNi High-Entropy Alloy by Time-Resolved and In-Situ Tomography2020

    • Author(s)
      Nakano Keita、Narumi Taka、Morishita Kohei、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 61 Pages: 596~604

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MK2019006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The effect of Bi on the microstructure, electrical, wettability and mechanical properties of Sn-0.7Cu-0.05Ni alloys for high strength soldering2020

    • Author(s)
      Ramli M.I.I.、Mohd Salleh M.A.A.、Yasuda H.、Chaiprapa J.、Nogita K.
    • Journal Title

      Materials & Design

      Volume: 186 Pages: 108281~108281

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2019.108281

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dendrite fragmentation induced by massive-like δ-γ transformation in Fe-C alloys2019

    • Author(s)
      Yasuda Hideyuki、Morishita Kohei、Nakatsuka Noriaki、Nishimura Tomohiro、Yoshiya Masato、Sugiyama Akira、Uesugi Kentaro、Takeuchi Akihisa
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 10 Pages: 3183

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11079-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Semi-solid deformation of Al-Cu alloys: A quantitative comparison between real-time imaging and coupled LBM-DEM simulations2019

    • Author(s)
      Su T.C.、O'Sullivan C.、Nagira T.、Yasuda H.、Gourlay C.M.
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 163 Pages: 208~225

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2018.10.006

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Selection of the Massive-like δ-γ Transformation due to Nucleation of Metastable δ Phase in Fe-18 Mass%Cr-Ni Alloys with Ni Contents of 8, 11, 14 and 20 Mass%2019

    • Author(s)
      Nishimura Tomohiro、Matsubayashi Ryota、Morishita Kohei、Yoshiya Masato、Nagira Tomoya、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 59 Pages: 459~465

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-726

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation using 4D-CT of massive-like transformation from the δ to γ phase during and after δ-solidification in carbon steels2019

    • Author(s)
      Yasuda Hideyuki、Hashimoto Takahiro、Sei Naoki、Morishita Kohei、Yoshiya Masato
    • Journal Title

      IOP Conference Series: Materials Science and Engineering

      Volume: 529 Pages: 012013~012013

    • DOI

      10.1088/1757-899X/529/1/012013

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterization of dendritic growth in Fe-C system using time-resolved X-ray tomography and physics-based filtering2019

    • Author(s)
      Yasuda H、Kawarasaki T、Tomiyori Y、Kato Y、Morishita K
    • Journal Title

      IOP Conference Series: Materials Science and Engineering

      Volume: 529 Pages: 012023~012023

    • DOI

      10.1088/1757-899X/529/1/012023

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Time-resolved and In-situ Observation of δ-γ Transformation during Unidirectional Solidification in Fe-C Alloys2019

    • Author(s)
      Nishimura Tomohiro、Morishita Kohei、Yoshiya Masato、Nagira Tomoya、Yasuda Hideyuki
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 105 Pages: 290~298

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2018-145

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Al8Mn5 Particle Settling and Interactions with Oxide Films in Liquid AZ91 Magnesium Alloys2019

    • Author(s)
      L. Peng, G. Zeng, T. C. Su, H. Yasuda, K. Nogita
    • Journal Title

      JOM

      Volume: 71 Pages: 2235-2244

    • DOI

      10.1007/s11837-019-03471-2

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] In situ studies revealing dendrite and eutectic growth during the solidification of Sn-0.7Cu-0.5Ag Pb-free solder alloy2019

    • Author(s)
      Zeng G.、Callaghan M.D.、McDonald S.D.、Yasuda H.、Nogita K.
    • Journal Title

      Journal of Alloys and Compounds

      Volume: 797 Pages: 804~810

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2019.04.153

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Intra-Nucleus Inhomogeneity on Nucleation in Carbon Steels Probed by Phase Field Modeling2019

    • Author(s)
      K. Kurotsu, S. Yoneda, M. Yoshiya, H. Yasuda
    • Journal Title

      AMTC Lett

      Volume: 6 Pages: 252-253

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Real-time Observation of the Accelerated Growth of (Cu, Ni)6Sn5 on Cu-xNi Current Collectors2020

    • Author(s)
      X. Tan, H. Yasuda, S. McDonald, K. Nogita
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Al8Mn5 Particle Clustering on Oxide Films in Liquid AZ91 Magnesium Alloys2020

    • Author(s)
      Peng, T. C. Su, K. Nogita, H. Yasuda, C. Gourlay
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Potential for Improving Sn-Cu Alloys as High-temperature Solders by the Suppression of Cu3Ni Phase2020

    • Author(s)
      S. U. Mehreen, K. Nogita, S. McDonald, D. StJohn, H. Yasuda
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] レーザ溶融法による金属材料の凝固組織形成2020

    • Author(s)
      森下浩平
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会 自動車焼結部品分科会講演会
    • Invited
  • [Presentation] Influence of Substrates and Microalloying Additions on the Primary Intermetallic Growth of Lead-free Solder Joints2020

    • Author(s)
      M. A. A. Mohd Salleh, K. Nogita, M. I. I. Ramli, F. Somidin, H. Yasuda
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Bi and Zn Addition to the Properties of Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0.05Ni Solder Coating2020

    • Author(s)
      M. I. I. Ramli, M. A. A. Mohd Salleh, H. Yasuda, K. Nogita
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical Calculation by Computations to Go Beyond Theories2020

    • Author(s)
      M. Yoshiya
    • Organizer
      TMS 149th annual meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Computational Materials Science in MRS-Japan2019

    • Author(s)
      M. Yoshiya, F. Oba, T. Tamura, C. A. J. Fisher, T. Uesugi, H. Raebiger, T. Kotani, M. Kohyama
    • Organizer
      日本MRS創立30周年記念シンポジウム
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 炭素鋼δ-γ massive的変態における非平滑γ相成長の因子解明2019

    • Author(s)
      黒津啓太, 吉矢真人, 安田秀幸
    • Organizer
      第29回日本MRS年次大会
  • [Presentation] 4D-CT を利用した Al-Cu 合金固液共存体のせん断帯形成のその場観察2019

    • Author(s)
      中田匠,吉村卓磨, 鳴海大翔,安田秀幸
    • Organizer
      日本鋳造工学会関西支部秋季支部講演大会
  • [Presentation] 時間分解X線CTによる微細化剤添加Al-Cu合金の等軸晶組織形成の定量化2019

    • Author(s)
      河原崎琢也, 加藤勇一, 鳴海大翔, 高木知弘, 安田秀幸
    • Organizer
      軽金属学会 第137回秋季大会
  • [Presentation] 炭素鋼δ-γ massive的変態において不均質性が核生成・粒成長に及ぼす影響2019

    • Author(s)
      黒津啓太, 吉矢真人, 安田秀幸
    • Organizer
      第32回計算力学講演会
  • [Presentation] Cr-Mn-Fe-Co-Ni系合金の凝固現象2019

    • Author(s)
      安田秀幸, 鳴海大翔, 中野敬太, Luo Litian
    • Organizer
      日本金属学会 第165回秋季講演大会
  • [Presentation] Fe-Cr-Ni合金におけるマッシブ的変態の選択組成範囲の探索2019

    • Author(s)
      菅健, 鳴海大翔, 安田秀幸
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 第178回秋季講演大会
  • [Presentation] Fe-18Cr-Ni合金のマッシブ的変態前後の結晶方位関係2019

    • Author(s)
      市田晃大, 三野翔平, 鳴海大翔, 森下浩平, 安田秀幸, 吉矢真人
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 第178回秋季講演大会
  • [Presentation] 4D-CTにより観察されたAl-Cu合金デンドライトを用いた凝固形態の解析2019

    • Author(s)
      加藤勇一, 河原崎琢也, 鳴海大翔, 安田秀幸
    • Organizer
      日本金属学会 第165回秋季講演大会
  • [Presentation] 時間分解X線CTを用いたAl-Cu合金固液共存体の変形の三次元解析2019

    • Author(s)
      中田匠, 吉村卓磨, 鳴海大翔, 安田秀幸
    • Organizer
      日本金属学会 第165回秋季講演大会
  • [Presentation] Al-Cu合金の凝固過程の等軸晶組織に及ぼす冷却速度の影響2019

    • Author(s)
      河原崎琢也, 加藤勇一, 鳴海大翔, 安田秀幸
    • Organizer
      日本金属学会 第165回秋季講演大会
  • [Presentation] Phase Field法によるδ-γ massive的変態における核生成時の不均質性の影響解析2019

    • Author(s)
      黒津啓太, 吉矢真人, 安田秀幸
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 第178回秋季講演大会
  • [Presentation] レーザ照射によるAl-15mass%Cu合金の急速溶解・急速凝固における組織形成過程のその場観察2019

    • Author(s)
      末丸直也, 清水竜之介, 森下浩平, 宮原広郁, 杉山明, 安田秀幸
    • Organizer
      日本金属学会 第165回秋季講演大会
  • [Presentation] Mg添加過共晶球状黒鉛鋳鉄におけるグラファイトの核生成と形状変化の時間分解その場観察2019

    • Author(s)
      Kiattisaksri Chatcharit, 森下浩平, 安田秀幸, 杉山明
    • Organizer
      日本鋳造工学会第 173 回全国講演大会
  • [Presentation] Time-evolution of Solidification Structure in Ductile Cast Iron with Hyper-eutectic Compositions2019

    • Author(s)
      K. Chatcharit, A. Sugiyama, K. Morishita, T. Narumi, H. Yasuda
    • Organizer
      2nd Carl Loper Cast Iron Symposium
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Role of Intra-Nuclear Variants upon Nucleation and Subsequent Grain Growth upon Massive-Like Phase Transformation of Carbon Steel2019

    • Author(s)
      K. Kurotsu, S. Yoneda, M. Yoshiya
    • Organizer
      10th ICMAT
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation using 4D-CT of massive-like transformation from the δ to γ phase during and after δ-solidification in carbon steels2019

    • Author(s)
      H. Yasuda, T. Hashimoto, N. Sei, K. Morishita, M. Yoshiya
    • Organizer
      Joint 5th ICASP-5 & 5th CSSCR-5
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Characterization of dendritic growth in Fe_C system using time-resolved X-ray tomography and physics-based filtering2019

    • Author(s)
      H. Yasuda, T. Kawarasaki, Y. Tomiyori, Y. Kato, K. Morishita
    • Organizer
      Joint 5th ICASP-5 & 5th CSSCR-5
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] http://cast.mtl.kyoto-u.ac.jp

URL: 

Published: 2021-01-27  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi