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．

这项研究旨在通过使用分子动力学（MD）和通用的GPU计算使用原子计算来定量材料结构预测，并阐明冶金现象，重点介绍使用相位场（PF）方法的中尺度晶粒生长计算。今年，我们主要进行了“使用PF方法的大规模各向异性谷物生长计算”和“通过使用MD和PF方法吸收数据获得的晶界特性”。在大规模PF谷物生长计算的研究中，Steinbach等人的PF谷物生长模型，收敛计算算法以及晶体取向差异的高速计算功能在多个GPU平行计算代码中实现，从而允许使用300万晶体晶粒，从而允许世界上最大的各向异性晶粒生长计算。此外，通过使用Read-Shockley关系和S形模型引入晶界物理各向异性，并通过改变其中包含的各向异性强度因子（高角度晶界阈值）的值，我们成功地成功地阐明了第一次的各向异性强度和晶粒生长行为之间的相关性。此外，我们已经获得了有助于现象解释的新见解，因为在现有的谷物生长理论中不能表达各向异性晶粒的生长行为，这是由于该理论推导的假设不能与各种系统相关。在有关获取晶界特性的研究中，我们表明，通过使用PF晶粒生长代码中的集合卡尔曼滤波器实施数据同化，并执行称为Twin实验的数值测试，可以同时评估物理性能在多晶系统中的十多种晶粒边界。此外，使用纯铁的MD晶粒生长计算的结果与观察到的数据一起用PF吸收了数据，并且实际上获得了晶界物理特性，证实获得了纯铁粒边界的典型订单值。尽管尚未建立晶界属性数据库的最初目标，但可以说已经建立了用于此目的的方法。将来，我们希望通过使用上述大规模PF计算技术，除了通过同化MD-PF数据获得晶界性能，高精度和高速组织预测，旨在加速材料开发。

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