メゾスケール材料組織制御と現象解明に向けた定量的シミュレーション手法の開発

介观材料结构控制和现象阐明的定量模拟方法的发展

• 批准号: 17J06356
• 负责人: 三好 英輔
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J06356/
• 关键词: 材料組織; 粒成長; 粒界物性; フェーズフィールド法; 分子動力学; GPGPU

本研究は，フェーズフィールド（PF）法によるメゾスケール粒成長計算を軸に，分子動力学（MD）による原子計算，GPU汎目的計算を併用することで，定量的材料組織予測と冶金学的諸現象の解明を目指すものである．本年度は，「PF法による大規模異方性粒成長計算」，「MDとPF法のデータ同化による粒界物性取得」を主に行った．大規模PF粒成長計算に関する研究では，SteinbachらのPF粒成長モデル，収束計算アルゴリズム，および結晶方位差の高速演算機能を複数GPU並列計算コードに実装し， 3百万結晶粒を用いた世界最大の異方性粒成長計算を可能とした．さらに，粒界物性異方性をRead-Shockley関係とＳ字モデルにより導入し，これらに含まれる異方性強度因子（高角粒界閾値）の値を変化させて系統的計算を行うことで，異方性強度と粒成長挙動の相関を初めて正確に解明することに成功した．また，異方性粒成長挙動は既存の粒成長理論では表現できず，これは理論の導出における仮定が異方性を有する系では成立しないことに起因するという，現象の解釈に資する新たな知見を得た．粒界物性取得に関する研究では，PF粒成長コードにアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化を実装し，双子実験と呼ばれる数値テストを行うことで，多結晶系の十個以上の粒界に対して同時に物性評価が行えることを示した．さらに，純鉄に対するMD粒成長計算結果を観測データとしてPFとのデータ同化を行い，実際に粒界物性値を取得し，純鉄粒界の典型的なオーダーの値が得られていることを確認した．当初の目標であった粒界物性データベースの構築には至らなかったものの，そのための方法論は確立できたといえる．今後，MD-PFデータ同化による粒界物性取得に加え，上述の大規模PF計算技術を併用することで，材料開発加速に向けた高精度・高速な組織予測が実現するものと期待する．

This study was carried out using the particle growth calculation method based on the PF method (PF) and the molecular dynamics (MD) method. Sub-computing, GPU general-purpose calculations are used together, and quantitative material structure prediction and explanation of metallurgical phenomena are carried out. This year, "PF method for large-scale anisotropic grain growth calculation", "MD and PF method for assimilation of grain boundary physical properties acquisition" are the main activities. Large-Scale PF Grain Growth Calculation Research, Steinbach's PF Grain Growth Calculation, Ending Calculation of アルゴリズム, high-speed calculation function of およびcrystal orientation difference, complex GPU parallel calculation, It is possible to calculate the growth of 3 million crystal grains using the world's largest anisotropic grain.さらに, grain boundary physical properties anisotropy を Read-Shockley relationship とＳ モデルにより imported し, これらに まれる anisotropy intensity factor (high angle The calculation of the grain boundary threshold value) and the change of the system are carried out and the anisotropy intensity and the grain growth and movement are related to the correct interpretation and the explanation is successful.また, the anisotropic grain growth is driven by the existing grain growth theory, and the expression of the existing grain growth theory, and the derivation of the これは theory are determined. Heterotropy is established, the cause is established, the phenomenon is solved, and the phenomenon is solved. Knowledge is gained. Grain boundary physical properties acquisition and research, PF grain growth and particle growth control, Gemini実験とcall ばれる数値ストを行うことで, polycrystalline system のmore than ten grain boundaries に対して at the same time にphysical properties evaluation価が行えることをshow した．さらに, pure iron に対するMD grain growth calculation results を観measurement データとしてPF とのデータassimilation を行い,実The physical properties of the international particle boundary have been obtained, and the typical properties of the pure iron particle boundary have been confirmed. The original goal was to build the physical properties of the grain boundary and build it.なかったものの，そのためのmethodologyはEstablishmentできたといえる． In the future, MD-PF will be assimilated and the grain boundary physical properties will be obtained, and the above-mentioned large-scale PF calculation technology will be combined. By using this method, material development is accelerated and high-precision and high-speed structure prediction is realized and expected.

项目成果

Investigation of a Method for Estimating Grain Boundary Properties by Data Assimilation Using Molecular Dynamics and Phase-Field Methods

使用分子动力学和相场方法通过数据同化估计晶界特性的方法的研究

• 发表时间: 2019
• 作者: T. Fukushima;E. Miyoshi;T. Takaki;M. Ohno;Y. Shibuta
• 通讯作者: Y. Shibuta

分子動力学法からPhase-Field法へのダイレクトマッピングによる多結晶粒成長予測の高精度化

通过从分子动力学方法到相场方法的直接映射提高多晶晶粒生长预测的准确性

• 发表时间: 2018
• 作者: 吉川雅博;三好英輔，高木知弘，澁田靖，大野宗一
• 通讯作者: 三好英輔，高木知弘，澁田靖，大野宗一

Grain growth kinetics in submicrometer-scale molecular dynamics simulation

• DOI: 10.1016/j.actamat.2018.04.060
• 发表时间: 2018-07-01
• 期刊: ACTA MATERIALIA
• 影响因子: 9.4
• 作者: Okita, Shin;Miyoshi, Eisuke;Shibuta, Yasushi
• 通讯作者: Shibuta, Yasushi

超大規模phase-fieldシミュレーションによる理想粒成長過程の研究

超大规模相场模拟研究理想晶粒生长过程

• 发表时间: 2017
• 作者: 三好英輔;高木知弘;大野宗一;澁田靖;坂根慎治;下川辺隆史;青木尊之
• 通讯作者: 青木尊之

Polycrystalline Grain Growth Simulations Using the Molecular Dynamics and Multi-Phase-Field Methods

使用分子动力学和多相场方法模拟多晶粒生长

• 发表时间: 2018
• 作者: Eisuke Miyoshi;Tomohiro Takaki;Yasushi Shibuta;Munekazu Ohno
• 通讯作者: Munekazu Ohno