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論文

First-principles modeling for dislocation motion of HEA alloys

都留 智仁; 板倉 充洋; 弓削 是貴*; 青柳 吉輝*; 下川 智嗣*; 久保 百司*; 尾方 成信*

Proceedings of 4th International Symposium on Atomistic and Multiscale Modeling of Mechanics and Multiphysics (ISAM-4) (Internet), p.59 - 62, 2019/08

ハイエントロピー合金(HEA)は結晶構造をもつ単相または多相の合金であり、主要な構成元素をもたず5種類またはそれ以上の等原子分率の組成を有している。このような状況では、変形挙動は従来の固溶強化機構では説明することができないため、変形の基礎的な機構はわかっていない。本研究では、第一原理計算を用いて体心立方(BCC)構造を有するHEA合金の転位挙動に関して検討を行った。クラスター展開に基づくSpecial quasirandom structures (SQS)を用いて、高濃度不規則固溶体を構築して、MoNbTaVWの組成を有する原子モデルに対して転位芯構造を導入した。第一原理計算の結果、局所的な変位が小さいMoNbTaVWでは、純BCC金属で見られる転位構造と同様の転位芯構造を有することがわかった。一方、その運動は純BCC金属と異なり、転位芯構造の化学的に無秩序さを反映して、Peierlsポテンシャル面が複雑に変化することがわかった。

論文

Atomic scale simulations of relationship between macroscopic mechanical properties and microscopic defect evolution in ultrafine-grained metals

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 下川 智嗣*

Materials Transactions, 57(9), p.1476 - 1481, 2016/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:88.44(Materials Science, Multidisciplinary)

超微細粒(UFG)金属の降伏メカニズムへの影響について原子シミュレーションによって検討を行った。機械特性とミクロな欠陥組織の影響を明らかにするため、粒径と粒内転位を変化させた多結晶原子モデルを構築し変形解析を行った結果、粒内転位は初期降伏と粒界を介した塑性変形挙動に大きな役割を果たすことがわかった。さらに、同じFCC金属でもCuは粒界から双晶の生成・成長が生じ、Alよりも早く塑性変形を開始することがわかった。

論文

Heterogeneous plastic deformation and Bauschinger effect in ultrafine-grained metals; Atomistic simulations

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 加治 芳行; 下川 智嗣*

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 24(3), p.035010_1 - 035010_10, 2016/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:56.54(Materials Science, Multidisciplinary)

大規模原子シミュレーションを用いて、多結晶モデルに対して単軸引張りと圧縮を与えることで超微細粒材料の降伏強度と塑性変形に関する転位密度の影響を検討した。その結果、初期の降伏挙動は転位密度が小さくなるにつれて異方性が大きくなることがわかった。また、Bauschinger効果はこれまで知られている粗大粒のメカニズムと異なり、転位密度が変化することによって生じることを明らかにした。

論文

Atomistic simulation of yield and plastic deformation in bulk nanostructured metals

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 加治 芳行; 下川 智嗣*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 4 Pages, 2015/05

バルクナノメタルなどの結晶粒がきわめて小さい金属では、通常の強化機構を越えて降伏応力は著しく上昇する。また、粗大粒金属と比べて引張・圧縮異方性や、繰り返し変形による異方性が観察される。バウシンガー効果などの繰り返し変形による異方性は多くの微細粒材料に共通であり、引張・圧縮異方性は一部の金属にのみに見られるが、これらの要因は明らかになっていない。そこで、本研究では、複数の結晶粒と転位源を有する三次元多結晶モデルを用いた原子シミュレーションによって、変形時の内部構造の変化から特異な機械特性と材料によって異なる塑性異方性について検討を行った。

論文

Crystal plasticity modeling and simulation considering the behavior of the dislocation source of ultrafine-grained metal

青柳 吉輝*; 都留 智仁; 下川 智嗣*

International Journal of Plasticity, 55, p.43 - 57, 2014/04

 被引用回数:31 パーセンタイル:10.33(Engineering, Mechanical)

結晶粒径が1$$mu$$m未満の超微細粒材料は驚くべき強度特性を持つことが知られており、材料科学の分野においてこのような特性を扱うことができる計算科学的手法が求められている。粒径がサブミクロンオーダーになる場合、粒のサイズに応じて転位源から転位ループは張出しにくくなる。そこで我々は粒界と転位源の影響を両方考慮した結晶塑性モデルを新たに構築し、超微細粒材料の機械特性に転位源が与える影響について検討を行った。

論文

超微細粒金属の機械特性に対する粒内転位生成と粒界におけるすべり伝播の影響

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 加治 芳行; 下川 智嗣*

日本金属学会誌, 78(1), p.45 - 51, 2014/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

超微細粒金属の粒内および粒界における塑性変形と力学特性の関係を明らかにするため、転位源としてのFrank-Read源を含んだアルミニウム薄板多結晶モデルを用いた大規模原子シミュレーションを行った。粒界の流動応力に与える影響を明確にするため、原子モデルとして結晶学的にすべり伝播が容易な粒界と困難な粒界を生じるような二つの異なる多結晶モデルを検討した。粗大粒材料と同様に、いずれのモデルにおいても、最初の塑性変形は粒内に存在する転位源の運動によって開始する一方、初期の降伏以降の塑性変形は粒界における転位の通過によるすべり伝播の抵抗に大きく影響されることが示された。粒内の転位源の運動とすべり伝播に必要な臨界応力の間の大小関係が材料強度に与える影響について検討し、超微細粒金属の強度の結晶粒径と転位源長さに関連した局所的な欠陥構造に依存性を定量的に示した。本論文は、"Materials Transactions, 54(9), p.1580-1586 (2013)"の邦文誌として掲載されたものである。

論文

Influence of competition between intragranular dislocation nucleation and intergranular slip transfer on mechanical properties of ultrafine-grained metals

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 加治 芳行; 下川 智嗣*

Materials Transactions, 54(9), p.1580 - 1586, 2013/09

 被引用回数:10 パーセンタイル:41.18(Materials Science, Multidisciplinary)

バルクナノメタルの力学特性は、粒界部の体積率が通常の粗大粒材と比べて大きくなるため、従来の転位の平均的挙動として説明することができない。そのため、粒界や転位の個々の局所的な挙動が力学特性に与える影響が大きくこれらを理解することが重要となる。本研究では、大規模原子シミュレーションを用いて、粒界および粒内転位の活性化過程について検討を行う。粒内転位源として、フランクリード源の原子モデルを構築し、せん断変形に対する多結晶内の転位の運動について検討を行った結果、初期の転位源の活動は粒径に依存しないものの、粒界を越えた転位の伝播が系全体の塑性変形に大きく影響することを明らかにした。本論文は、第62回日本金属学会論文賞を受賞した。

論文

Modeling and simulation on ultrafine-graining based on multiscale crystal plasticity considering dislocation patterning

青柳 吉輝*; 小林 遼太郎*; 加治 芳行; 志澤 一之*

International Journal of Plasticity, 47, p.13 - 28, 2013/08

 被引用回数:21 パーセンタイル:22.57(Engineering, Mechanical)

本研究では、セル構造及びサブグレインに関する転位パターニングを表現する反応-拡散方程式を導出する。変形場における転位パターンの生成を表現するために、すべり速度,応力,セル構造形成における転位の相互作用の効果に関する情報を反応-拡散方程式の反応速度係数に導入する。さらに、転位パターニングに基づくマルチスケール結晶塑性モデルを提案する。そこで、本モデルを用いてFCC多結晶体の強ひずみ圧縮変形させる場合の擬3次元有限要素法-差分法シミュレーションを実施する。セル構造,サブグレイン,高密度転位壁の形成、並びに結晶粒のサブディビジョン化といった結晶微細化の初期プロセスを再現する。また、転位組織が超微細粒の形成に及ぼす影響について検討する。

論文

A Phenomenological micromechanical model of FCC metals under radiation induced crystal defects

青柳 吉輝; 都留 智仁; 加治 芳行

Effects of Radiation on Nuclear Materials; 25th Volume (ASTM STP 1547), p.269 - 287, 2013/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

本研究では、照射誘起結晶欠陥の情報を導入した照射欠陥-結晶塑性モデルを構築することを目的とし、照射によって誘起された不完全転位ループ密度及び積層欠陥四面体密度の情報を結晶塑性論における硬化係数に導入した。その際に、転位運動に起因する不完全転位ループの消失も考慮した。結晶塑性解析に用いる照射欠陥の影響を表す数値係数を分子動力学法を用いた数値解析によって同定した。本モデルを用いてCu単結晶平板を想定した単純引張条件下における3次元結晶塑性有限要素法解析を行い、初期照射欠陥密度の増加に伴う降伏応力の上昇並びに加工硬化率の減少を再現した。また、照射欠陥密度が最も高いものでは、降伏後の軟化が現れ、照射欠陥の存在が変形の局所化に影響を与えるといった知見を得た。

論文

Atomistic simulations of activation ability of dislocation source within grain boundary

都留 智仁; 青柳 吉輝*; 下川 智嗣*; 加治 芳行

International Workshop on Bulk Nanostructured Metals; Proceedings Book, p.56_1 - 56_4, 2012/06

サブミクロン以下の粒径で構成されるバルクナノメタル(BNM)は粒界における過剰体積が大きく、平均場としての材料強度則で評価することは困難である。そのため、個々の転位の運動と粒界が塑性変形に大きく寄与することが指摘されている。本研究では、大規模源シミュレーションに基づく計算科学モデルを用いて転位源の活性化と粒界のマクロな塑性変形に対する影響を検討する。

論文

Simulation on nanostructured metals based on multiscale crystal plasticity considering effect of grain boundary

青柳 吉輝; 下川 智嗣*; 志澤 一之*; 加治 芳行

Materials Science Forum, 706-709, p.1751 - 1756, 2012/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:36.05

本研究では、粒界の影響を考慮した結晶塑性モデルを構築した。粒界の存在に起因する局所的な臨界分解せん断応力の増加を表現するために、結晶塑性論における硬化則に転位源としての役割を有する粒界の情報を導入した。さらに、本モデルを用い、FCC多結晶を想定したFEM解析を行い、降伏応力の増加や加工硬化率の減少といったバルクナノメタルの応力-ひずみ応答を再現した。本結果に基づき、転位挙動がバルクナノメタルの材料特性に与える影響を検討した結果、粒径の減少に伴う降伏応力の増加及び加工硬化率の減少は局所的な臨界分解せん断応力及び転位挙動に起因するといった知見を得た。

論文

Crystal plasticity simulation considering oxidation along grain boundary and effect of grain size on stress corrosion cracking

青柳 吉輝; 加治 芳行

Materials Transactions, 53(1), p.161 - 166, 2012/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:59.17(Materials Science, Multidisciplinary)

Stress corrosion cracking is a critical concern for light water reactors because it can degrade structural components over a long period. It takes the form of intergranular stress corrosion cracking (IGSCC). Many studies on IGSCC have been conducted over several decades in the past. However, the mechanism of IGSCC initiation and propagation is still not fully understood. In this study, a crystal plasticity model expressing IGSCC is proposed by considering information about the oxidation along the grain boundaries and the failure of an oxide film caused by the localization of a deformation. From a crystal plasticity finite element analysis and an oxygen reaction-diffusion finite difference analysis based on the presented model, the IGSCC is numerically reproduced, and we discuss the effect of grain size on the crack propagation behavior.

論文

再結晶現象に対する結晶格子スケールの離散的保存則の定式化

村松 眞由*; 青柳 吉輝; 志澤 一之*

日本機械学会論文集,A, 77(780), p.1304 - 1319, 2011/08

まず再結晶過程における結晶格子を棒要素としてモデル化し、その運動学について論じた。次に、新相及び母相で構成される材料において、混合理論との類似性から混相理論としての保存則を定式化した。特に、結晶格子オーダーの離散量に対する保存則をメゾ領域である代表体積要素(RVE)内で加算平均することで、2相物質におけるいずれか一方の単相に対する質量,運動量,角運動量及びエネルギーの保存則を定式化した。ここで、角運動量保存則及びエネルギー保存則には結晶格子のスピン運動とRVE内での公転運動の情報が導入されるが、対象となるバルクスケール及び結晶格子スケールに特有の長さを代表量に選んでオーダー評価し、角運動量保存則をバルク部分及び結晶格子部分に分離した。この処理を介することで、結晶格子のスピン角運動量を考慮する場合でもCauchy応力の対称性が維持できることを示唆した。また、微視的角運動量が導入された本モデルが、一般化連続体力学のいかなるモデルに対応あるいは類似しているかについても言及した。さらに、上記のようにRVE内で平均化された保存則は、RVEを連続体の1物質点に帰着させることにより、新相あるいは母相の保存則となり、混合理論における保存則として定式化された。

論文

Stress corrosion cracking behavior of type 304 stainless steel irradiated under different neutron dose rates at JMTR

加治 芳行; 近藤 啓悦; 青柳 吉輝; 加藤 佳明; 田口 剛俊; 高田 文樹; 中野 純一; 宇賀地 弘和; 塚田 隆; 高倉 賢一*; et al.

Proceedings of 15th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems - Water Reactors (CD-ROM), p.1203 - 1216, 2011/08

引張特性と照射誘起応力腐食割れ進展挙動に及ぼす中性子照射速度の影響について検討するために、304ステンレス鋼を用いたき裂進展(CGR)試験,引張試験,微細組織観察を実施した。試験片は、JMTRにおいて沸騰水型原子炉模擬高温水中で2つの照射速度で約1dpaまで照射した。照射硬化は照射速度に伴い増加するが、CGRに及ぼす影響は小さい。降伏応力の増加はフランクループの数密度の増加に起因する。粒界における照射誘起片析挙動に及ぼす照射速度の効果は小さい。さらに、結晶塑性シミュレーションにおけるき裂先端近傍の局所塑性変形挙動に及ぼす照射速度効果も小さいことがわかった。

論文

Hierarchical computational approaches of the effects of interstitial and vacancy loops on plastic deformation

都留 智仁; 青柳 吉輝; 加治 芳行

Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.1298, 6 Pages, 2011/04

照射材で観察される転位チャネリングは、変形局所化の結果として観察され、照射誘起応力腐食割れ現象における重要な応力因子と考えられている。本研究では、照射材の変形のメカニズムの解明のため、原子シミュレーションと連続体解析に基づく階層的な計算科学モデリングを構築し、照射材の塑性変形について検討を行った。まず、原子シミュレーションから照射欠陥が存在するときの基礎的な情報として、降伏応力の欠陥密度依存性を検討した。次に、二次元及び三次元の照射欠陥を有する多結晶モデルに対して、照射欠陥の弾性変形と塑性変形への影響を検討した。原子シミュレーションにより、照射欠陥は弾性変形過程に大きな影響を与えない一方、降伏応力は欠陥直径が2$$sim$$4nmの場合に150$$sim$$200MPaに上昇することがわかった。さらに、これらの降伏応力等の情報を結晶塑性有限要素解析に適用する階層モデルを提案した。そして、実際の転位密度を有する照射材において、照射欠陥の有無がマクロな塑性変形挙動に大きな影響を与えることを示した。

論文

転位パターニングに基づく結晶粒超微細化に関するマルチスケール結晶塑性シミュレーション

青柳 吉輝; 小林 遼太郎*; 志澤 一之*

日本機械学会論文集,A, 77(775), p.448 - 461, 2011/03

転位セル構造の形成及びセルサイズ減少を再現する反応-拡散方程式を導出し、すべり速度及び応力といった変形場の情報を考慮した反応速度係数モデル及びセル構造形成に関する転位の相互作用を考慮した反応速度係数モデルを提案した。また、反応-拡散方程式から得られる転位密度情報を結晶塑性論における結晶の硬化則に導入することによって転位パターニングを考慮した転位-結晶塑性モデルを構築した。本モデルを用いてFEM-FDM連成解析を行い、転位パターニングに基づく結晶粒微細化の初期プロセスを再現し、転位組織が超微細粒の形成に及ぼす影響について検討した。

論文

FCC超微細粒焼鈍材の降伏点降下現象に関するトリプルスケール転位-結晶塑性シミュレーション

黒澤 瑛介*; 青柳 吉輝; 志澤 一之*

日本機械学会論文集,A, 76(772), p.1547 - 1556, 2010/12

転位源としての粒界の役割を考慮し、転位密度が極めて低い結晶粒において流れ応力が変形の初期段階において一時的に増加することを表現できる新たな臨界分解せん断応力モデルを構築した。また、本モデルを既報で構築したトリプルスケールGN転位-結晶塑性モデルに導入した。本モデルを用いて、転位組織-結晶粒構造-巨視的試験片にまたがるマルチスケールFEM解析を初期粒径及び初期転位密度の異なるFCC多結晶に対して実施し、焼鈍されたFCC微細粒からなるマクロな試験片に発現する降伏点降下現象及びL$"{u}$ders帯の伝播を数値解析的に再現した。さらに、試験片レベルでの巨視的降伏及び結晶粒レベルでの微視的降伏状況について考察するとともに、粒径の減少に伴う降伏後の変形挙動の違いについて検討した。

論文

サブグレインからの核生成と核成長に関する静的再結晶Phase-Fieldシミュレーション

村松 眞由*; 味岡 秀恭*; 青柳 吉輝; 只野 裕一*; 志澤 一之*

材料, 59(11), p.853 - 860, 2010/11

本研究では、多結晶を対象として、静的再結晶現象における3段階の過程を連携して数値計算するための手法を構築した。まず、反応-拡散方程式に基づいた転位-結晶塑性有限要素法解析を行って得られるサブグレインパターンに基づいて再結晶核となり得る核候補の選定を行った。次に得られた核候補に基づいて核生成に関するPhase-Fieldシミュレーションを行った。さらに得られた情報をもとに自律的な核生成潜伏期間を考慮した核成長Phase-Fieldシミュレーションを行った。得られた数値解析の結果から、転位-結晶塑性有限要素法解析によって得られる結果に基づいて再結晶の核生成・核成長に関するPhase-Fieldシミュレーションを行えば、再結晶の回復,核生成,核成長を連携的に再現することが可能であるという知見を得た。また、核内のサブグレイン合体時間が群ごとに異なることによって、一定核生成速度モデルなどを用いることなく核生成の潜伏期間が表現された。

論文

Multiphysics modeling and simulation for stress corrosion cracking considering oxygen atom diffusion along grain boundary

五十嵐 誉廣; 青柳 吉輝; 加治 芳行

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 5 Pages, 2010/05

近年のミクロ観察技術の向上により、応力腐食割れのき裂先端のサイズが数ナノメートルであること、き裂開口部は酸化物で満たされていること、き裂先端よりも先に酸素原子が侵入していることが観察されている。また、電子後方散乱回折パターン解析により、き裂先端及びき裂周囲に$$10sim20%$$の塑性ひずみがあることが報告されており、応力腐食割れの進展機構には、粒界に沿った酸素原子の存在、そして粒界近傍の塑性ひずみが関係していると考えられる。以上の背景から、本研究では、粒界中の酸素拡散を考慮したマルチフィジックスモデルを構築し、モデルの初期検討として多結晶ニッケルに関する粒界に沿った酸素原子の拡散と結晶塑性を考慮した2次元のき裂進展シミュレーションを行った。その結果、粒界に沿った酸素凝集に起因するき裂の生成,進展,停止,新たなき裂の生成を繰返すことによって巨視的にき裂が進展する応力腐食割れ特有の分岐き裂を伴う進展過程を再現することができた。

論文

トリプルスケール結晶塑性モデリング及び結晶粒微細化に伴う寸法効果に関するシミュレーション

黒澤 瑛介*; 青柳 吉輝; 只野 裕一*; 志澤 一之*

日本機械学会論文集,A, 76(764), p.483 - 492, 2010/04

幾何学的に必要な結晶欠陥(GN転位密度及びGN不適合度)に基づく転位-結晶塑性モデルに均質化法を導入することで、転位の微視構造,結晶粒構造及び巨視構造という3階層を橋渡しするトリプルスケール結晶塑性モデルを構築した。本モデルを用いて、転位組織-結晶粒構造-試験片にまたがるマルチスケールFEM解析を初期粒径の異なるFCC多結晶に対して実施し、超微細粒からなるマクロな金属材料における寸法効果を数値解析的に再現した。さらに、得られた解析結果から、粒径のサブミクロン化に伴って結晶粒の微視的降伏は起こりにくくなること、並びに、超微細粒金属の延性の低下は降伏後の加工硬化率の減少に伴う塑性不安定性に起因することがわかった。

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