研究研究者：下川智嗣（金沢大学）

分子動力学計算は個々の原子運動を追跡するため，金属材料中の格子欠陥の生成・運動・消滅・相互作用ダイナミクスが表現可能であり，ナノスケール組織を有する金属結晶材料の力学特性を調査する有力な道具である．しかし，予想に反する力学特性が得られるパラドックスが存在する．それは，分子動力学計算で見積もられる超微細粒材（バルクナノメタル）の強度は，実験で観察される強度に比べて過大評価されることである．本研究の目的は，材料強度の原子シミュレーションにあらわれるパラドックスを，従来のアプローチとは全く異なり，実験と計算における粒内の転位組織の違いに注目して解明することである．本研究では，原子モデルの粒内の転位組織を構築するアルゴリズムを開発し，単結晶モデルとバルクナノメタルモデルを用いて転位組織と強度の関係を系統的に調査し，このパラドックスを解明する．本研究により得られる成果は，バルクナノメタルの特有な力学特性の理解を深め，計算科学と実験科学・理論科学の真の融合を与えることが期待される．

研究研究者：下川智嗣（金沢大学）

研究分担者：新山友暁（金沢大学）

本研究は，繰返し荷重下における「異相界面」と「固執すべり帯（PSB）を構成する転位」の相互作用を分子動力学法を用いて実施し，異相界面での転位の侵入・分解・通過の重畳現象により生じる疲労破壊のエンブリオ（核形成の起点）の形成機構の解明に挑んだ研究である．まず，界面は転位の吸収サイトとして機能するため繰返し変形に伴い転位密度を減少させ，転位組織の粒径依存性が生じることを示した． 次に，PSBモデルを作成し，繰返し変形下でチャンネル内を運動するらせん転位が粒界に侵入した場合，逆方向の負荷が発生しても界面から転位は再放出されず，界面が疲労破壊のエンブリオ形成に強く影響を与えることを示した．

研究研究者：三浦博巳（豊橋技術科学大学）

研究分担者：下川智嗣（金沢大学），渡邊千尋（金沢大学），青柳吉輝（東北大学）

純チタン(JIS 二種)に対し様々な条件下での多軸鍛造(MDF)を施し，その組織発達と機械的性質の変化を系統的に調査した．その結果，MDFの鍛造パス間ひずみはΔε=0.4が，また累積ひずみはΣΔε=2.4以上，MDFのひずみ速度は10-3-s以上の速い程良く，その条件下ではより速く超微細組織が発達しやすいことが示された．これらMDF材に単純強圧延を施すとさらに組織の均一微細化が促進され，引張強度も高くなり，MDFまま材では最大で800MPa程度だった引張強度は950MPa前後まで上昇した．さらに低温焼鈍を加えることで，引張強度は1.1GPaまで上昇した．ヤング率は80GPaまで下がった．

研究代表者：辻　伸泰（京都大学）

共同研究者：下川智嗣（金沢大学），志澤一志・村松眞由（慶應義塾大学），村山光宏（九州大学）

ナノ・ミクロ組織を高度に制御した金属材料において、粒界・界面からの種々の変形モードの新たな発生（核生成）をもたらす機構と、その結果生じる加工硬化能の再生機構を基礎的に明らかにした上で、異なる変形モードを順次核生成できる材料とナノ・ミクロ組織を設計し、高強度と高延性を両立した構造材料を実現します。最先端の実験手法と計算手法を駆使し、ナノスケールの変形機構とマクロスケールの力学挙動を結びつけます。

領域代表者：乾　晴行（京都大学）

計画研究(A02ｳ班)：計算材料科学によるハイエントロピー合金の力学特性の解明と制御

研究研究者：尾方成信（大阪大学）

研究分担者：都留智仁（日本原子力研究開発機構），下川智嗣（金沢大学），久保百司（東北大学），青柳吉輝（東北大学），弓削是貴（京都大学）

本研究領域では、ハイエントロピー合金が示す新奇で特異な材料物性を、様々な分野背景を有する研究者の緊密な共同研究を通じて解明し、多様な構成元素間の非線形相互作用に潜む新たな材料科学の学術領域を打立てることを目的とします。ハイエントロピー合金は、狭義には「5種類以上の構成元素から成る等原子分率単相固溶体合金」を指しますが、近年では「多元系状態図中央付近の組成を持つ等原子分率から外れた高濃度固溶体合金や析出物を含む多相合金」にまで研究対象が広がりつつあります。このような広義の意味でのハイエントロピー合金には、低温での異常高強度・高靭性、高温高強度など、従来合金には見られない特異で優れた力学特性を示すものが多く見られます。これらの特異な物性は、多様な構成原子間の相互作用による単純な混合則では表現できないカクテル効果に起因すると考えられ、この物性発現メカニズムの解明は材料科学・技術における最も挑戦的課題の一つと言えます。この学理を打ち立てることで，従来型材料を越えた新規材料を開発・提供しうる新領域を創成することができると考えています。

研究代表者：飴山　惠（立命館大学）

研究研究者：藤原　弘（立命館大学），伊藤隆基（立命館大学），山末英嗣（立命館大学），下川智嗣（金沢大学），中井善一（神戸大学），塩澤大輝（神戸大学），菊池将一（静岡大学），川畑美絵（立命館大学），上野　明（立命館大学）

社会基盤の骨格とも言える構造用金属材料の高強度化、高延性化は持続可能社会の構築にとって必要不可欠の条件であるが、金属材料の強度と延性は理論上、両立しない性質であるとされてきた。しかし、研究代表者が創製した「調和組織制御材料」では「不均一（ヘテロ）な構造」が従来の常識を覆して高強度と高延性を両立する。この調和組織制御研究を基盤として、高強度・高延性発現メカニズムの解明、ミクロとマクロの重畳による相乗効果の解明、新たな特異現象の発見、高強度・高延性材料の創製、を目指した。その結果、R4年度には以下のような研究成果を得た。(1)通常の純金属や合金以外の高エントロピー合金（CrMnFeCoNi）においてもシナジー硬化現象が起こること。ただし、その程度が通常金属材料に比べて少ないことを見出した。（2）調和組織材料（SUS316L、CrMnFeCoNi）では、高温圧縮変形時に高いひずみ速度感受性指数（m値）を示す調和組織超塑性現象を見出した。（3）Fe-0.3mass%鋼において、調和組織制御することによって著しいDBTT低下現象を見出した。（4）SPring-8（放射光回折コントラスト法）を用いた疲労損傷評価を行い、Coreでの転位の蓄積が緩やかであることを示した。（5）産業連関分析による調和組織材料導入の経済波及効果、および、二酸化炭素削減量評価を行い、今後の社会実装へ向けての調和組織材料の可能性が十分にあることを見出した。（6）本研究課題で創製した種々の調和組織材料を国際的なネットワークの中で他研究グループに提供することができ、その結果、活発な国際共同研究の展開につながった。特に、本研究課題のメンバーがカバーしていない研究領域である耐食性、耐摩耗性の研究が国際共同研究によって促進された。（2022年度実績報告書）

研究代表者：東田賢二（九州大学）

研究研究者：西口廣志 （佐世保工業高等専門学校），川崎仁晴 （佐世保工業高等専門学校），定松　直（鹿児島大学），下川智嗣（金沢大学），田中將己（九州大学），大橋鉄也（北見工業大学）

水素脆化には，低温脆性とは異なる大きな特徴がある．それは，水素脆性の破壊様式が巨視的には脆性的であるにも拘らず，微視的には延性的であるという従来理論では理解困難な一見矛盾した現象が存在することである．本研究ではその原因として，結晶性材料の破壊靭性に本質的な影響を及ぼす転位遮蔽効果に着眼し，それに対する水素の影響を明確化した.それに際して，転位の長範囲応力場を赤外線を使い可視化出来るシリコン結晶を用いたことも，本研究の特徴である．

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

研究研究者：新山友暁（金沢大学）

本研究は，構造用材料の更なる高信頼性化に向けて，未解決問題である「変形素過程の協働的・連鎖的な集団運動と機械的性質の関係の解明」に挑んだ研究である．これまでのボトルネックであった集団運動の定量化は，固体塑性の集団運動を反映する固体材料に内在する普遍的な統計的性質に着目した．本研究では，分子動力学計算を用いて，(1)様々な構造や組織（合金，多結晶，非晶質）の固体材料に対する統計的性質の探求を行い，(2)その統計的性質を特徴付けるパラメーターと強度と延性の機械的性質の関係の系統的な調査を行い，(3)集団運動と機械的性質の関係に関係性があることを明らかにした．

研究代表者：久保百司（東北大学）

研究代表者：波多野恭弘（東京大学（現：大阪大学）），尾方成信（大阪大学），下川智嗣（金沢大学），山口正剛（原子力研究開発機構）

材料の破壊は人工構造物の破壊をもたらし、断層の破壊は地震となり、人間の生命を脅かすカタストロフィとなる。本課題は、電子・原子レベルから数100kmオーダーに至る材料および断層破壊現象の階層性とそのメカニズムの解明を、原子レベルの材料破壊メカニズム研究と地震メカニズム研究の学際連携により進める。

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

ナノスケール複合材料中の格子欠陥の非線形力学場を準連続体法と原子モデルを用いて検討した．まず，転位の力学場を解析解を用いずに表現できる準連続体法の開発を行った．それを用いて転位の自己エネルギーの粒径依存性と粒界の剛性率の関係を弾性論的に検討した．つぎに，原子モデルを用いて，粒界構造を直接表現し，粒界内の原子移動が格子転位の力学場を遮蔽できることが明らかになった．さらに，異相界面の結合力の強さが積層構造体の力学特性に与える影響を検討し，界面に侵入した格子転位の芯構造の分解は界面結合力に強く影響を受け，結果的に積層構造体の延性特性に対して界面結合力は重要な設計因子であることを見出した．

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

研究分担者：青柳吉輝（東北大学），都留智仁（日本原子力研究開発機構）

バルクナノメタル（結晶粒径がサブミクロン以下の金属材料）は，通常の粗大粒材料とは異なる力学特性を示すことが知られている．そこで，バルクナノメタル中の複雑な格子欠陥の発展を，大規模な分子動力学計算と結晶塑性理論を用いて表現し，以下の現象について検討を行った．①粒界が持つ固有の転位源能力とその静水圧依存性を検討し，バルクナノメタルの塑性変形能力を検討した．②転位と粒界の相互作用が及ぼすき裂先端力学場に対する影響の粒径依存性を調査し，バルクナノメタルの破壊特性を検討した．③内部欠陥構造の生成と消滅に基づく塑性変形伝ぱプロセスの粒径依存性を調査し，バルクナノメタルの強度－延性特性を検討した．

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

研究分担者：田中將己（九州大学），東田賢二（九州大学），大橋鉄也（北見工業大学）

ナノスケールのヘテロな内部組織を有する構造用金属材料は、一見相矛盾する力学特性の同時発現の可能性を有しています。本研究では、結晶格子欠陥論に基盤を置く材料科学分野とマルチスケール固体力学分野を融合し、ヘテロナノ構造中の格子欠陥群の発展に起因する内部応力の再分配に基づく新しい理論体系を構築することを目指し、強度と延性、強度と靱性の両立を実現する新しい指導原理を構造材料産業界に提案します。

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

ナノ結晶や非晶質ポリマー等の様々な構造の固体材料が示す類似した速度に依存する変形・破壊モードの遷移現象を,各原子・分子構造に基づいて理解することを目的とすし,分子動力学法を用いた計算機実験を行なった.その結果,格子欠陥や分子鎖形状の局所的な形態変化(例えば,面欠陥と線欠陥の形態変化)に対する容易さが,局所塑性変形の発生や伝ぱに強く関係していることを解明した.

研究代表者：中谷彰宏（大阪大学）

研究代表者：下川智嗣（金沢大学），斉藤賢一（関西大学），松島亘志（筑波大学）

金属が大きく変形させられると内部に結晶格子の不整合が導入され、結晶の粒が細分化されます。この格子不整合や結晶粒は金属の持つ性質を変化させ、高い機能を持つ環境に優しい材料を創り出す可能性を秘めています。この課題では原子レベルから格子不整合の集合体レベル、さらには、結晶粒の集合体について最先端の計算力学理論に基づいたコンピューターシミュレーションを駆使し、内部構造変化のメカニズムと特性の関係を解明しました。

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

非対称傾角粒界の粒界構造と変形メカニズムについて詳細な検討を行ない,以下の結果を得た.

1)対称粒界面からのずれ角度と粒界エネルギーの関係を原子モデルを用いて計算し,ずれ角度増加に伴い粒界エネルギーが増加することを確認した.また,非対称傾角粒界において対称面からのずれを緩和するために導入される欠陥構造(DSC転位)が,結晶方位によっては,転位源としての役割を示すことを確認した.

2)同じ粒界方位差,異なる対称粒界面からのずれ角度を有するアルミニウムの粒界モデルを作成し,せん断変形シミュレーションを実行することで,粒界変形とそのずれ角度依存性を検討した.300K一定の条件では,解析モデルにせん断変形を与えると,粒界移動が生じ,結晶方位が隣接結晶方位に変化することにより,せん断ひずみを稼ぐことを確認した.また,この粒界移動量は対称面からのずれ角度に強く依存し,粒成長等の粒界移動を伴なう現象に対してずれ角度を考慮することは重要であることを見出した.また,高温でせん断変形を加えた場合,ずれ角度の小さな粒界では,前述した粒移動を生じるが,ずれ角度の大きな粒界では粒界すべりが生汁ことを確認し,粒界変形モードが粒界構造に伴ない遷移することを示した.

3)刃状転位と非対称傾角粒界の相互作用シミュレーションを原子・連続体結合モデルで行ない,(a)パイルアップによる応力集中の粒界構造依存性は大きくないこと,(b)粒界より転位を放出するための臨界力が粒界構造に依存し,転位論で見積もれる臨界力とは異なること,(c)粒界に侵入してくる転位のアコモデーション機構は粒界構造に強く依存し,特に非対称傾角粒界を構成する粒界転位の運動が重要であることを示した.

研究代表者：下川智嗣（金沢大学）

微小多結晶材料の変形メカニズムおよび力学特性の粒径依存性を分子動力学シミュレーションにより明らかにすることを目的とし、アルミニウムを想定した代表寸法の異なる多結晶モデルの単軸引張解析を行ない、内部構造変化の観測と力学特性の評価を行なった。得られた結果を以下に示す。

●平均粒径3nm〜20nm(2,3次元モデル)

平均粒径20nmまでは、粒径が大きくなるにつれて応力極大値、流動応力ともに大きくなるという通常のHall-Petchの関係とは反対の関係(逆Hall-Petchの関係)が得られる。

●平均粒径20nm〜40nm(2次元モデル)

平均粒径が20nmを超えて大きくなると流動応力の粒径依存性が小さくなる。また40nmにおいては、2次元モデルのため結晶すべり系が2つしか表現できていないものの、一つの粒内で複数の転位が相互作用を行なっており、流動応力が上昇傾向にあることが確認できる。

このことは、実験で粒径がサブミクロンオーダのときに観測される通常のHall-Petchの関係からナノオーダまで微細化されたときに観測される逆Hall-Petchの関係に移る遷移状態を表現していると推測できる。粒径が20nm以下の場合、欠陥(粒界等)の体積比と強度は比例関係を示しており、粒界領域が変形を支配していることが考えられるが、粒径が大きくなるとその関係は崩れ、強度と粒内の構造が密接に関係していると考えられる。つまり多結晶体の変形において、粒径が大きなとき粒界は変形の障害物という役割であるが、粒径がナノオーダまで小さくなると結晶粒が粒界すべりの障害物となり、粒界と結晶粒の役割が変化することが考えられる。