構計算力学手法による金属材料の固相焼結シミュレーション研究概要・成果背景焼結部品は焼結過程が製品の性質に大きな影響を与える端科学載技・加術推工進等機は ⑩ナノテクノロジー・材料研究 ○中原大海（院生）、齋藤賢一（システム理工学部機械工学科教授）、宅間正則（教授）、高橋可昌（准教授）焼結過程の及ぼす影響を予測する必要がある実験のみでは莫大なコストがかかる焼結で重要な要素 ○物性 ○温度 ○粒子形状 ○粒子配置計算機シミュレーションが有効内部組織空孔 Fig.1 焼結含油軸受大学先組織形成シミュレーション界面状態2 写・転 ○界面表現が容易 ○メゾスケール手法 ○様々な現象に応用可能強度評価シミュレーション PF法にマイクロメカニクスの概念を導入することで組織の応力状態を観察することができる2) 例引張 B相 y 圧縮 x (a)粒成長す。 ○焼結体の組織形成シミュレーションが可能 ○温度や具体的な物性を基に計算できる ○粒子数の増加や粒子配置の考慮も可能無応力状態も観察できる 0 Fig.5 温度による収縮率の変化 ※ 状態1 組織形成過程シミュレーションに適している A相断 Fig.4 焼結後 PF変数 φ : min Fig.2 PF変数の概要複関西 Fig.3 初期配置 PF変数 φ : max PF法の特徴 ○特殊な変数を用いて状態の違いを表す ○系の持つ自由エネルギーで評価できる青銅:Cu-10%Snの物性値を用いたシミュレーション時間発展方程式1) 真空必要なシミュレーション ○組織形成シミュレーション ○強度評価シミュレーション Phase-Field(PF)法目的焼結過程による内部組織形成をシミュレートし，シミュレートされた内部組織を用いて，必要とされる機械的性質を予測できるような手法を構築する．金属粒子必要な要素 ○界面表現 ○μm~mmのオーダー ○粒子数，形状，配置，気孔 ○応力の取り扱い ○外部応力を付加することも可能 ○不均質な部分（気孔など）の存在も考慮できる2) 焼結体への適用を検討中ま 1) Y.U.Wang , Computer modeling and simulation of solid-state sintering : A phase field approcach , Acta Materialia , (2006) , p953-961 . 2) Y.U.Wang , A.G.Khachaturyan , Phase Field microelasticity theory and modeling of elastically and structually inhomogeneous solid , Applied Physics , (2002) , p1351-1360 (b)応力σxx Fig.6 粒成長の際に生じる内部応力じ応用分野、実用化可能分野禁粉末冶金法を用いて製造する部品や製品の設計および製造工程の改善などへの応用が考えられる．特に，多孔質材などの内部組織の形態が重要となる材料，およびそれを用いた部品への応用が有効と思われる．問合せ先：関西大学システム理工学部齋藤賢一 E-mail：[email protected] 関人ORDIST 先端科学技術推進機構社会連携部産学官連携センター、知財センター