2020 Fiscal Year Annual Research Report
Interfacial properties out of equilibrium estimated based on data assimilation of atomistic and microstructural approaches
| Project/Area Number |
19H02486
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
大野 宗一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30431331)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澁田 靖 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90401124)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | データ同化 / 固液界面物性 / フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / 凝固 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、純鉄の過冷凝固を対象に固液界面エネルギー、界面移動度、そしてそれぞれの異方性パラメータを同時に推定することを試みた。データ同化の方法としてアンサンブルカルマンフィルタを用い、粒子数を128～1024まで変化させ、高精度な推定を可能にする条件を双子実験で探索した。また、固相の等温成長に関する分子動力学法（MD)の計算結果をフェーズフィールド変数による組織表現に変換し、さらに局所温度の情報から適切な界面過冷度を求めた。さらに、フェーズフィールド法に必要なバルクの熱力学量もMDから算出し、フェーズフィールド法とMDのデータ同化を実施した。
上記のアプローチによって、過冷状態における固液界面物性値の全てを単一のMDシミュレーションから算出することが可能となった。さらに過冷度の異なるMDシミュレーションの結果から固液界面物性値を推定し、純鉄の界面エネルギー、界面移動度、それらの異方性パラメータの温度依存性を初めて明らかにした。具体的には、融点近傍において界面エネルギーは温度ともに減少し、その異方性パラメータも減少することが分かった。なお、本アプローチで推定した界面エネルギーは文献値と一致することも確認した。また、界面エネルギー異方性パラメータが温度依存性を有すること、そしてそれが負の依存性であることは本研究ではじめて明らかになったものである。今回対象とした温度範囲において界面移動度は大きく変化せず、その平均値は文献値と定量的によく一致した。また、界面移動度の異方性強度は温度とともに増加することが分かった。
上記の通り、今回開発したアプローチによって、従来のアプローチでは不可能であった非平衡状態における固形界面物性値を求めることが可能となり、界面物性の温度依存性に関して知見を得ることができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通りに研究は進んでいる。特に、本アプローチによって実際に固液界面物性値が推定可能であることが示された。これは、本研究課題における最も重要なパートであり、次年度に向けて良い成果が得られた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
異なる純金属にも本アプローチが有効であるかをまずは検証する。具体的には純Alをまずは対象に、アンサンブルカルマンフィルタや粒子フィルタを用いて、固液界面物性値の算出を試みる。そのために、過冷状態の等温凝固を対象にMDシミュレーションを行い、それをフェーズフィールド変数による表現に変換する。それと同時に双子実験によってパラメータ推定の最適条件を探索する。その後、MDの観測データを用いてフェーズフィールド法とのデータ同化を行う。また、合金系への拡張も検討する。
|
Research Products
(3 results)
