【研究領域課題番号】22H00252 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

組織形成 / フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / 局所平衡の破れ / solute trapping

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2022-04-01 - 2026-03-31

【配分額】40,300千円 (直接経費: 31,000千円、間接経費: 9,300千円)

【研究領域課題番号】19H02486 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

データ同化 / フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / 界面物性 / 凝固組織 / 界面エネルギー / 固液界面物性 / 凝固

【研究成果の概要】

金属材料における界面エネルギーや界面移動度といった固液界面物性は、凝固組織の形成過程を支配する重要な因子である。しかし、非平衡状態における固液界面物性の全容を解明する方法は開発されていなかった。そこで本研究は、組織形成予測の高精度化を目指し、原子シミュレーションと組織形成シミュレーション、そしてデータ同化を組み合わせることで、非平衡状態の固液界面物性値を“on-the-fly”で算出する手法を構築した。

【研究の社会的意義】

国内外で計算機シミュレーションによる組織予測技術の開発が鋭意進められている。本研究が開発した非平衡界面物性の推定方法は、材料組織予測技術の高精度化と汎用化に直結する。また、本研究で開発した手法は、現在まで未解明であった非平衡状態の界面物性を明らかにするものであるから、材料組織学の新しい展開や界面物性の新たな学理発展につながることも期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】17H01237 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / その場観察 / データサイエンス / 凝固 / 粒成長 / 材料組織 / 大規模計算

【研究成果の概要】

材料開発では，材料組織の適切な予測と制御が極めて重要である．本研究では，フェーズフィールド(PF)計算，SPring-8によるその場観察，分子動力学(MD)計算の三つの最先端研究をデータサイエンスにより融合し，革新的メゾスケール材料組織予測アプローチの構築を目指した．MD計算結果を観察データとし，PFとEnKFによるデータ同化によって界面物性値を算出する手法を開発した．SPring-8その場観察結果を観測データとし，PFとEnKFによるデータ同化によって物性値と場の情報を得る基盤技術を構築した．大規模PF計算による高精度材料組織予測法を開発し，凝固と粒成長の組織予測とメカニズム解明を行った．

【研究の社会的意義】

人々の生活が多様性を増す中で，ものづくりの根幹である材料開発の時間短縮が喫緊の課題となっている．材料開発は，素材の開発に加え，メゾスケールの組織制御が極めて重要である．本研究では，大規模フェーズフィールド計算，大型放射光施設によるその場観察，大規模分子動力学計算の，最先端の3つの研究をデータサイエンスを用いて融合する高精度材料組織予測法の開発を試み，その基盤を構築した．当該分野における日本の最先端研究の融合，実験と計算の融合を推し進めたことに学術的意義がある．本研究で構築した融合研究の基盤をさらに発展させ，多様なものづくりを支える材料開発に貢献することが可能となる．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円)

【研究分野】金属・資源生産工学

【研究領域課題番号】16H04541 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝固組織 / 界面物性 / デンドライト / フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / 優先成長方位 / 金属生産工学

【研究成果の概要】

本研究では、金属材料の凝固におけるデンドライトの優先成長方位が合金濃度に依存するという新奇の現象が、多様な合金系において生じることを実験研究によって明らかにした。そして、そのメカニズム解明のための熱力学解析と原子シミュレーションを実施するとともに、組織形成シミュレーション法のフェーズフィールド・モデルを発展させ、そのシミュレーションによって、組織形態の多様性を総括する形態マップを構築した。

【研究の社会的意義】

現在までの凝固工学では、結晶の優先方位は結晶構造のみで決まることが想定されてきた。本研究の学術的意義は、優先成長方位遷移現象が多くの合金系でも発現することを解明したことにより、界面物性の濃度依存性という今までの学理に考慮されてこなかった因子の重要性を示したことである。結晶の優先成長方位は、デンドライトの幾何学的特徴や競合成長における配列の対称性等を決定するため、凝固組織のサイズ・形態、そして偏析にまで影響を及ぼすことから、金属材料製造プロセスにおける凝固組織制御の高精度化につながる知見が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】15,340千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 3,540千円)

【研究分野】金属・資源生産工学

【研究領域課題番号】25289266 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ミクロ偏析 / フェーズフィールド法 / 分子動力学法 / 凝固工学 / デンドライト / 組織形成 / 凝固 / デンドライト組織 / 偏析 / シミュレーション / 多元系合金

【研究成果の概要】

鋳造材の内部では、構成元素の濃度がマイクロメートルのスケールで不均一に分布しており、これをミクロ偏析と呼ぶ。鋳片・鋳塊の高品質化のためにこの偏析を高精度に制御することが望まれている。本研究では現在までに注意を払われてこなかった多成分系拡散のタイライン・シフト現象とミクロ偏析の関係を解明し、この現象を利用した新しい偏析制御技術の発展につながる知見を得た。特に、拡散の遅い原子の偏析は、タイライン・シフトを活用することで低減できることが示された点が重要と考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)