ナノスケール材料の力学的挙動に対するマイクロメカニックス的解析

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本研究の目的は、ナノスケール構造物ひいてはナノストラクチャ材料の力学的挙動を解明し、その挙動の変化を予測することができる理論を構築することにある。特に本研究では界面エネルギ、界面物体力を考慮した力の平衡方程式を用いる。本年度は、ナノストラクチャ材料の力学的特性(超塑性、高弾性)を解明するための解析を行った。これらの力学的特性に対する理論的検討はほとんど行われていない。そこで、ここでは結晶粒界(界面エネルギによる表面応力が存在している)と転位の関係を2次元異方性の基本解を用いた境界要素法を用いて調べた。ナノ構造材料は、ナノメータサイズの微細結晶粒が多数集まった構造をしている。そのようなモデルで解析することは、計算時間および記憶容量の点で問題があり、様々な影響因子について調べることが難しくなる。そこで前年度におけるモデルであるナノ微粒子複合材料を用いて、その粒子中に転位を導入し、材料寸法、転位の大きさを種々に変え、界面エネルギの有無による微粒子内部の応力分布、界面形状の変化の様子を調べた。その結果以下のことがわかった。微粒子の半径を大きくすると粒子内部の応力分布は、ほとんど界面応力の影響を受けなくなり、小さくすると大きく受けるようになる。転位に対する作用力は、バーガースベクトルおよび転位位置により大きく変化し、転位が界面近傍にある場合には転位が消滅する方向に力が作用する。その結果、転位を導入した微粒子の平衡形状は滑らかなものとなり、バーガースベクトルが減少したことを示した。以上のことから、ナノ微粒子の降伏応力は増加することが予想される。また、ナノインデンテーションで降伏応力は増大することが知られており、たとえナノ微粒子でなくとも、微小なバーガースベクトルが関与する現象では、見かけ上降伏応力が大きくなると考えられる。