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転位挙動に基づくUltraFine-Grainedメタルの力学特性シミュレーション

転位挙動に基づくUltraFine-Grainedメタルの力学特性シミュレーション

金属材料の結晶粒径を小さくしていくと力学特性が向上することが経験的に知られています．しかしながら，結晶粒径が1ミクロン以下という「UFGメタル」の微視的メカニズムについては十分に解明されていないのが現状です．本研究では，転位源としての粒界の役割を考慮したFEM解析を粒径の異なるAl多結晶に対して実施し，粒径の減少に伴う降伏挙動の変化について検討します．

Simulation on Mechanical Properties of Ultrafine-Grained Metals Based on Dislocation Behavior

It is well known that mechanical properties of metals improve as grain size decreases. However, the microscopic mechanism of "UFGed metals" whose grain size is less than 1 micron is unclear. In this study, FEM analysis considering a role of grain boundary as dislocation sources is carried out on Al polycrystals with different grain size, and change of yielding behavior with decrease of grain size is investigated.
結晶性・非晶性ポリマの微視的変形機構に基づく高分子塑性論の構築

結晶性・非晶性ポリマの微視的変形機構に基づく高分子塑性論の構築

結晶性高分子材料は，分子鎖が規則正しく配列されている結晶質およびランダムコイル構造を有する非晶質部分を有します．このような材料に関する研究に対して工業的な要請は強いものの，各相の特性について全く未知な部分が多いのが現状です．本研究では，球晶の変形挙動に関する実験観察に基づき，結晶質部分と非晶質部分の混在する結晶性高分子塑性モデルを構築します．

Polymer Plasticity Modeling Based on Microscopic Deformation Mechanism of Crystalline and Amorphous Polymers

The crystalline polymer material consists of an amorphous phase with random coil structure and a crystalline phase in which molecular chains are regularly arranged. Although industrial demand is strong for research on such materials, the characteristics of each phase are unclear. In this study, we construct a new polymer plasticity model with mixed crystalline and amorphous parts based on experimental observations on the deformation behavior of spherulites.
微細組織から力学挙動を予測する実践的CAEシステムの創成

微細組織から力学挙動を予測する実践的CAEシステムの創成

構造解析用CAEに使用する降伏関数を数値解析的に予測します．その際に，実験観察・測定から得られる材料の微視構造の情報に基づいて変形挙動を記述する実験的マルチスケールメカニクスを用います．汎用の構造解析用ソフトウェアに求めた降伏関数を組み込むことによって，CAEによる材料設計から開発，実用までの一連のプロセスをシームレスにつなぐことを目的としています．

Creation of Practical CAE System for Prediction of Mechanical Properties Based on Microstructure of Materials

We numerically predict yield function used for CAE of structure analysis. We use the experimental multiscale plasticity model describing deformation behavior based on information on the microscopic structure of materials obtained from experiment observation and measurement. We aim to seamlessly connect a series of CAE processes (material design, development, and practical application) by introducing the obtained yield function into general structural analysis software.
熱可塑性複合材料におけるトランスクリスタルの影響

母材組織が熱可塑性複合材料の力学特性に与える影響

熱可塑性複合材料の性質は，強化材の性質や含有量の他に母材高分子材料がもつ結晶組織の影響を受けます．結晶組織の違いには強化材まわりのトランスクリスタルと呼ばれる結晶の有無や球晶の大きさなどがあります．本研究では，成形時の熱条件を変化させて母材の結晶組織が異なる熱可塑性複合材料を作製し，機械特性の測定を行うことによって，母材組織が熱可塑性複合材料に与える影響について評価します．

Effect of Crystal Structure on Mechanical Properties of Fiber Reinforced Thermoplastic Composites

The properties of thermoplastic composites are affected by crystal structure of the base polymer in addition to the property and content of reinforcing material. The crystal structure depends on presence of crystals called transcrystals around reinforcing materials and the size of spherulites. In this study, we produce a thermoplastic composite with different crystal structure of the base polymer by changing thermal condition at molding. Then, we evaluate the effect of crystal structure on thermoplastic composites by measuring the mechanical properties.
結晶性高分子材料のひずみ速度依存性に及ぼす球晶組織の影響

結晶性高分子材料のひずみ速度依存性に及ぼす球晶組織の影響

高分子材料は室温環境下においても高いひずみ速度依存性を持つため，構造解析においてはひずみ速度の影響を表現可能な数理モデルが必要となります．しかしながら，高分子材料特有の微視組織がひずみ速度依存性に及ぼす影響については十分に解明されていません．本研究では，当研究室で開発した結晶性高分子塑性モデルに実験データを反映し，FEM解析を実施することで，球晶組織がひずみ速度依存性に及ぼす影響について調査しています．

Effect of Spherulities on Strain-rate Dependency of Crystalline Polymer Materials

Polymer materials show high strain-rate dependency at room temperature. Therefore, a structural analysis requires a numerical analysis model expressing the strain-rate dependency of polymer materials exactly. However, effect of microstructure peculiar to polymer materials on strain-rate dependency remains unclear. In this study, we research effect of spherulites on the strain-rate dependency by conducting FE analysis with our developed model for plasticity of crystalline polymer. Information obtained by experimental observation is introduced into this.
超微細粒金属材料(UFGメタル)の微視構造を考慮した力学挙動の予測

超微細粒金属材料(UFGメタル)の微視構造を考慮した力学挙動の予測

近年では，材料に対する工業的な要求は非常に高まっていて，解決策として強ひずみ加工による超微細粒金属材料(UFGメタル)が注目されています．UFGメタルは平均結晶粒形が1マイクロメートル以下の金属材料を指しますが，その微視構造に基づく巨視的な力学応答は十分に解明されていません．本研究では，材料の微視構造を考慮した数値解析と実験観察で得られたデータを比較し，信頼性の高い降伏関数を予測することで，その先のCAEによる構造解析を利用した設計，開発，実用化をスムースに行うことを目的としています．

Prediction of Mechanical Properties Considering Microstructure of Ultrafine-grained Metals (UFGMs)

Recently, industrial demand for materials has been much higher. For this reason, many researchers have focused on ultrafine-grained metal (UFGM) manufactured by severe plastic deformation. UFGM is a metallic material with a mean crystal grain size of 1 micrometer or less; however macroscopic mechanical response based on microstructure is still unclear. In this research, we predict high reliable yield function by comparing numerical simulation considering the microstructure of metals with experimental observations. In addition, we aim to perform seamlessly design, development, and practical application using CAE on structural analysis.
超微細粒金属材料(UFGメタル)の微視構造を考慮した力学挙動の予測

熱可塑性高分子材料の力学非対称性・異方性評価

高分子材料は様々な負荷環境下での利用が拡大しています．高分子材料は負荷方向や条件によって異なる変形挙動を示します．一般的に材料強度を調べる方法である単軸引張試験のみではこのような高分子材料の力学非対称性・異方性を評価することはできません．本研究では熱可塑性高分子材料について多軸応力条件や引張・圧縮条件での材料の強度について実験的に調査し，高分子材料材料の信頼性や製品の安全性について評価を行っています．

Evaluation of Mechanical Asymmetry and Anisotropy of Thermoplastic Polymers

We use widely polymeric materials under various load profiles. Polymers show peculiar deformation behavior depending on load direction or condition. The uniaxial tensile test, which is a general method to determine mechanical properties of materials, cannot evaluate mechanical asymmetry and anisotropy of such polymers. In this study, we research strength of polymeric materials experimentally with mechanical asymmetry and anisotropy under multi-axial stress state or uniaxial tension-compression and evaluate the reliability and safety of polymers.
画像処理モデリングに基づくDP鋼のFEM解析

画像処理モデリングに基づくDP鋼のFEM解析

フェライトおよびマルテンサイトの2相からなるDual-Phase鋼(DP鋼)は従来鋼の性能を凌駕する新材料として注目されています．DP鋼は各相の割合によって機械的特性が大きく変化することが知られていますが，各相の形状が機械的特性に与える影響に関しては明らかになっておりません．本研究では，DP鋼の組織観察画像から各相の境界を特定し，そこで得た情報を用いたFEM解析を行うことで微細組織形状が機械的特性に与える影響を評価しています．

FE Analysis on DP Steels Based on Digital Image Processing

Dual-Phase steels (DP steels) which consist of Ferrite and Martensite, are attracting attention because of its high strength. It is known that the ratio of each phase significantly changes mechanical properties. However, an influence of the shape of each phase on mechanical properties is unclear. In this study, we grasp boundary information of each phase from a microstructure image of DP steels. We conduct FE analysis using the information obtained from the digital image processing and investigate the effect of the shape of each phase on mechanical properties.
炭素繊維強化炭素複合材料の引張特性に及ぼすひずみ速度の影響

炭素繊維強化炭素複合材料の引張特性に及ぼすひずみ速度の影響

炭素繊維強化炭素(Carbon-Carbon: C/C)複合材料は優れた機械的性質を有する先進複合材料であり，航空機用耐熱材などの動的負荷が加わる環境下での利用が進んでいます．その用途から，C/C複合材料においてひずみ速度が引張特性に及ぼす影響について把握することは極めて重要ですが，その報告例は非常に少ないのが現状です．本研究では，C/C複合材料に対し異なるひずみ速度での引張試験を行うことによってひずみ速度が引張特性に及ぼす影響について調査を行っています．

Strain Rate Effect on Tensile Properties of Carbon-Carbon Composites

Carbon-Carbon (C/C) composites are advanced composites with excellent mechanical properties and are used as aircraft heat resistant materials in environments where dynamic loads are applied. Although it is imperative to understand the strain rate effect on tensile properties of C/C composites from its use, there are very few reports at present. In this study, the effects of strain rate on tensile properties are investigated by conducting tensile tests at different strain rates on C/C composites.
金属材料の微視的組織の情報を利用した変形挙動・機械的特性の予測

結晶性高分子材料のひずみ速度依存性に及ぼす球晶組織の影響

近年では，数値解析的に引張試験を行う事で微視的組織情報から力学的特性を予測できる手法の「結晶塑性解析」が数多く行われています．しかしながら，解析一回ごとに扱える結晶の数が実物に比べて極端に少ないために解析結果は実物の力学的挙動と一致しません．そこで本研究では複数回の試行それぞれで異なるパターンの結晶組織に対して解析を行い，得られた結果に対して極値統計処理を行う事で機械的特性の代表値を求めています．

Estimation of Deformation Behavior and Mechanical Properties of Metals Considering the Microstructure Information

In recent years, many “crystal plasticity simulations” assuming tensile tests have been performed to predict mechanical properties based on the information of microscopic structure. However, the number of crystal grains for the crystal plasticity simulation is much smaller than that in the experimental tensile test piece. The results of the numerical analysis do not correspond to that of tensile tests. In this study, the microstructures with crystal orientation of different combinations are simulated on multiple trials, and the obtained results are processed by the extreme value statistics to obtain the representative values of the mechanical properties.

熱可塑性高分子材料の力学特性に対する微細構造変化の影響

結晶性高分子材料の微細組織は複雑な階層構造をとり，そのマクロな機械的特性はナノスケールの微細組織に大きく影響を受けます．高分子材料に対する正確な構造解析のためには，微細組織変化に基づく高分子特有の変形メカニズムの理解が必要不可欠です．本研究では，高分子材料の微細組織を模擬した分子動力学シミュレーションを行い，微細組織変化が機械的特性に与える影響について分子スケールにおける分子鎖の挙動に基づいて評価します．

Effect of Microstructural Changes on Mechanical Properties of Thermoplastic Polymers

Crystalline thermoplastic polymers have complicated hierarchical structures. The macroscopic mechanical properties of such polymers are affected by the nanoscale microstructure. It is imperative to clarify the polymer-specific deformation mechanism based on microstructural changes for accurate structural analysis assuming polymer products. In this study, we perform molecular dynamics analysis considering the microstructure of polymer. The effect of microstructural changes on mechanical properties is evaluated on the basis of molecular chain behavior.
ハイエントロピー合金の力学特性に関する結晶塑性論的検討

ハイエントロピー合金の力学特性に関する結晶塑性論的検討

ハイエントロピー合金(HEA)は多種類の金属元素をほぼ同じ割合で混合した合金であり，高い強度と延性を両立しうることなど様々な優れた特性から注目されています．しかしHEAの組成や微視的構造と巨視的力学特性の関係は十分に解明されていません．そこで本研究ではHEAの低積層欠陥エネルギーの影響を考慮した結晶塑性FEM解析を行い，実験データと比較することで積層欠陥エネルギーが力学特性へ与える影響について検討しています．

Crystal Plasticity Study on Mechanical Properties of High Entropy Alloys

High entropy alloys (HEAs) are alloys formed by mixing various metal elements at the nearly same ratio. HEAs are attracting attention due to various excellent properties such as high strength and ductility. However, the relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties of HEAs has not been sufficiently clarified. In this study, we perform crystal plasticity FE analysis considering the low stacking fault energy of HEAs and evaluate the influence of the stacking fault energy on the mechanical properties by comparison of experimental and numerical data.
分子鎖の微視的挙動に基づく非晶性ポリマの新しい変形モデルの開発

分子鎖の微視的挙動に基づく非晶性ポリマの新しい変形モデルの開発

非晶性ポリマは，分子鎖が無秩序に配列した微細構造を持つことが特徴です．軽量，高透過率，高強度などの特徴を持つ非晶性ポリマは，建築や電子機器などさまざまな分野で重要な材料となっています．非晶性ポリマについては，これまでにもいくつかの変形予測モデルが開発されてきました．しかし，微視的変形が複雑であることから，その変形挙動を予測することは困難でした．本研究では，ポリマ材料特有のエントロピー弾性を考慮し，分子鎖の微視的な挙動に基づく新たな変形理論を提案します．

Development of a New Model for Glassy Polymers Based on Microscopic Behavior of Molecular Chains

Glassy polymers are characterized by their amorphous microstructure, i.e., a disordered organization of molecular chains. With lightweight, high transmittance, and high strength, glassy polymers constitute an important range of materials used in various fields such as construction or electronics. Several models have been developed in the past for glassy polymers. Nevertheless, the description of the deformation behavior is difficult due to microscopic deformation. In this study, a theoretical model based on the microscopic behavior of molecular chains considering entropy-elasticity is proposed.
ヘテロナノ構造化による金属材料の高性能化とメカニズム解明

ヘテロナノ構造化による金属材料の高性能化とメカニズム解明

金属材料を高強度化するため，ヘテロナノ組織という微視的組織が注目されています．ヘテロナノ組織は冷間圧延等の比較的簡単な手法で形成可能で，他の強化法を凌ぐ高強度化が確認されています．しかしながらその原理に関してはいまだ十分な理解が進んでいません．本研究では結晶塑性FEM解析を行い，ヘテロナノ組織の変形挙動が機械的特性に与える影響に関して調査しています．

Heterogeneous Nanostructuring for High Performance of Metallic Materials and Elucidation of the Mechanism

A microscopic structure called “heterogeneous nanostructure” is attracting attention to increase the strength of metallic materials. The heterogeneous nanostructure can be produced by a relatively simple method such as cold rolling, and it has been confirmed that the strength is higher than other strengthening methods. However, the principle is not yet fully understood. In this study, crystal plastic FEM simulation is performed to investigate the deformation behavior of heterogeneous nanostructure on mechanical properties.
ナノインデンテーション法によるTRIP鋼の力学的特性評価

ナノインデンテーション法によるTRIP鋼の力学的特性評価

結晶構造の変化に伴って生じる塑性変形挙動の一つ，変態誘起塑性：Transformation Induced Plasticity (TRIP)を利用したTRIP鋼と呼ばれる最先端材料があります．TRIP鋼は強度と延性を両立し，衝撃吸収にも優れているため自動車の構造材料等への利用が進んでいます．TRIP鋼に関して機械的特性の向上を目的として研究が行われていますが，従来の巨視的な力学応答測定試験ではTRIP鋼の微視的な相変態メカニズムがわかりません．本研究では，ナノインデンテーション試験によってTRIP鋼の局所的な力学挙動について評価し，TRIP現象のメカニズム解明を試みています．

Evaluation of Mechanical Properties of TRIP Steels by Nanoindentation Method

Transformation Induced Plasticity, namely TRIP, is one of the plastic deformation modes. TRIP occurs due to crystal structure changes and is utilized as a cutting-edge material called TRIP steels. TRIP steels used as material for automobiles show high strength, good ductility, and excellent shock absorption properties. Research is conducted on TRIP steels to improve their mechanical properties. However, conventional measurement tests for a macroscopic mechanical response do not reveal the microscopic phase transformation mechanism of TRIP steels. In this study, we evaluate the local mechanical behavior of TRIP steels by nanoindentation tests and attempt to reveal the mechanism of TRIP phenomena.
結晶性高分子材料の力学特性に対する球晶組織の影響

結晶性高分子材料の力学特性に対する球晶組織の影響

熱可塑性高分子材料は軽量，低コスト，優れた成形性を示すため，幅広い分野での利用が拡大しています．本研究では，熱可塑性高分子材料の力学特性に対する球晶組織および結晶相の微視的影響をナノインデンテーション試験によって評価しています．得られた結果に基づいて，球晶組織の生成プロセス予測モデルも構築しています．最終的には，微細組織変化に基づく結晶性高分子材料の高性能化を目指しています．

Effect of Spherulites on Mechanical Properties of Crystalline Polymers

Thermoplastic polymers are being increasingly used in many fields because of their lightweight, low cost, and excellent formability. This study evaluates the effect of spherulites and crystalline phases on the mechanical properties using nanoindentation tests. A simulation model predicting spherulite formation has also been constructed according to the experimental results. Finally, the crystalline polymers’ higher performance is expected based on the microstructure changes.
結晶性高分子材料の球晶に対する変形モデルの開発

結晶性高分子材料の球晶に対する変形モデルの開発

結晶性高分子材料はその微細組織において複雑な階層構造をとり，さらに球晶と呼ばれる高次構造が存在します．そのような微細組織は結晶性高分子材料の力学特性に大きな影響を与えることがわかっています．本研究では，微視的組織に基づく結晶性高分子材料の変形挙動をシミュレーションで予測するために，球晶に対して正確に変形挙動を再現することが可能な変形モデルの開発を行っています．

Development of Deformation Model for Spherulite in Crystalline Polymers

Crystalline polymers have a complex hierarchical structure in their microstructures, and higher-order structures called spherulites exist. It is known that such microstructures significantly affect macroscopic mechanical properties. In this study, we develop a model that can accurately reproduce the deformation behavior of spherulites to perform a computational simulation.
TWIP効果を再現する数理モデルの構築

TWIP効果を再現する数理モデルの構築

金属の強度と延性を両立する鍵のひとつに双晶誘起塑性(TWIP)効果があります．TWIP効果は双晶変形と呼ばれる変形メカニズムによって発現します．しかし，双晶変形の特徴を完全に表現可能な数理モデルは提案されておらず，双晶変形と巨視的な力学特性との関係は十分に解明されていません．本研究では，双晶変形の微視的過程に着目した数理モデルを新たに構築し，数値解析によってTWIP効果の発現メカニズムを調査しています．

Construction of Mathematical Model Reproducing TWIP Effect

The Twinning-Induced Plasticity (TWIP) effect is one of the keys to achieving metals’ high strength and high ductility. TWIP effect emerges due to the deformation mechanism called the twinning deformation. However, no theoretical models can completely express the features of the twinning deformation and details of the relationship between the twinning deformation and macroscopic mechanical properties. In this study, a theoretical model based on the microscopic process of the twinning deformation is newly established, and the mechanism of the TWIP effect is studied.
これまでの研究成果 Outcomes

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