微視組織形成過程およびその材料強度特性への影響に関するマルチスケール解析

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微視組織形成過程における応力変化,および形成される微視組織が材料の強度特性に及ぼす影響を再現可能なマルチスケール解析モデルの構築を行うため,フェーズフィールドモデルを用いた基礎式の定式化を行った.これによって,各相の体積分率に基づいた扱いを行っていた従来の手法と異なり,フェーズフィールドモデルを導入することによって,異相境界面からなる形成される微視組織を対象とした解析が可能となった.この基礎式の検証としては,有限要素法による数値解析を行った.相変態および界面の移動に伴う応力変化が適切に再現できることを確認した後,多結晶体形成過程のシミュレーションを行い,相変態過程においては結晶粒界において大きな応力が発生すること,および多結晶組織においては,粒界付近に大きな残留応力が生じるとともに,結晶粒内にも残留応力分布が発生することを示した.また,それらは結晶核の間隔や,粒界形成の時期等に大きく影響を受けることを示した.ただし,これらの解析には,結晶方位に基づく力学特性の異方性,および結晶粒界における原子の再配列や結晶の回転等の挙動は考慮されておらず,局所的な力学特性を正確には再現できていない.そこで,分子動力学法を用いて粒界エネルギーの異方性を計算するとともに,粒界モデルを作成して粒界の形状および方位変化の解析を行い,粒界エネルギーの異方性と動的挙動の関係を調べた.その結果,いくつかの方位について,粒界エネルギーが小さく,安定な方位関係が存在することを示し,初期配置としてその方位を与えた場合,粒界はほぼ安定であるのに対し,それ以外の方位では粒界で局所的な変化が起こり,結晶粒の形状にも変化が生じることを示した.このような結晶方位と結晶粒形状の変化をフェーズフィールドモデルに取り込むことによって,結晶成長のみでなく,粒界形成後の再結晶化の解析を行う基礎を構築した.