2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of multiscale alloy strength simulator based on dislocation-precipitate interactions

Research Project

Project/Area Number	21K11924
Research Institution	Tokyo University of Science
Principal Investigator	高橋昭如東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (00366444)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	転位ー析出物相互作用 / 転位動力学法 / 重合メッシュ法 / 整合ひずみ / 析出物 / 臨界分解せん断応力
Outline of Annual Research Achievements	重合メッシュ法（以下SFEM）を用いた整合ひずみを有する析出物周りの応力解析を実現した．整合ひずみを有する析出物がある弾性問題の基礎式をSFEMに基づいて定式化した．SFEMを用いた析出物周りの応力解析では，ローカルメッシュを用いて個々の析出物をモデル化するが，任意の形状と分布を有する析出物のモデル化を容易にするため，テンプレートローカルメッシュを用いた析出物ローカルメッシュの作成方法を考案した．具体的には，単純な形状（立方体や球状，棒状など）の析出物のローカルメッシュを作成しておき，モデルのアスペクト比等を変化させることによって多様な析出物を容易に作成する方法である．この方法を用いることでSFEMによる析出物周りの応力解析の効率を向上させることに成功した． SFEMを用いて析出物周りの応力解析を高精度に実施するための，ローカルメッシュの寸法とグローバルメッシュの要素サイズの比について検討を行った．応力分布を解析的に計算することのできる球状析出物を対象として，精度評価を実施した結果，この比がおよそ1.5以上になると計算精度が収束することが確認できた．また，収束する計算精度はローカルメッシュの解像度に依存することも確認することができた． SFEMで計算した析出物周りの応力分布を転位動力学法に実装し，転位１つと析出物１つの数値解析を実施した．SFEMで計算した応力分布の情報は，計算速度（効率）を得るためにグローバル領域全体をボクセル要素に分割し，ボクセル要素の頂点（節点）位置の応力をSFEMを用いて計算する．ボクセル要素と節点での応力の値を転位動力学法に実装することによって，計算速度の向上をおこなった．ボクセル要素の大きさと臨界分解せん断応力の計算精度の関係を調べ，析出物直径をおよそ10分割するボクセル要素の大きさを選択すれば，高精度に臨界分解せん断応力を計算できることがわかった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 本研究の研究計画は１）重合メッシュ法（以下SFEM）を用いた析出物周りの応力場の高精度な計算，２）SFEMにより計算された析出物周りの応力場の転位動力学法への実装（方法の検討），３）転位と析出物の相互作用における析出物形状の影響評価，４）合金単結晶の応力ーひずみ応答解析である．2021年度においては，１）と２）について十分な進捗を得ることができた．すなわち，本研究で開発するマルチスケール合金強度シミュレータの基盤技術の確立を行うことに成功した．
Strategy for Future Research Activity	2022年度以降は，2021年度において開発したマルチスケール合金強度シミュレータを具体的な転位ー析出部相互作用問題に適用する．特に，析出物の形状に特徴があり，複数の析出物が分散する材料中における転位の運動の転位動力学シミュレーションの実施を試みる．このシミュレーションの実施によって，転位の運動の臨界分解せん断応力に対する析出物形状の影響などを詳細に調べる．2023年度は，これらの結果を踏まえ，合金単結晶の応力ーひずみ応答の数値解析の実現を目指す．