マテリアルズインテグレーションによる構造材料設計ハンドブック
■概要■
競争力の高い構造材料設計を刷新する“マテリアルズインテグレーション”!!（Materials Integration）
・順問題/逆問題解析による各種材料および先進構造材料の特性予測と設計手法を解説！
・鉄鋼・Al合金・チタンに加え、CFRPのマテリアルズインテグレーションについて詳解！
・マテリアルズインテグレーションを具現化するシステム開発、構造材料におけるデータの新展開について解説！
＜0＞マテリアルズインテグレーションについて
1．統合型材料開発システム
・はじめに
・統合型材料開発システムによるマテリアル革命の成果について
・4つのシステム
・おわりに
2．マテリアルズインテグレーションの考え方
・マテリアルズインテグレーションの概念
・マテリアルズインテグレーションと材料開発
3．本ハンドブックの狙いと全体構成
＜1＞順問題/逆問題解析による鉄鋼材料およびAI合金の特性予測と設計
1．マテリアルズインテグレーションにおける順問題/逆問題の考え方
・はじめに
・マテリアルズインテグレーション（MI）
・データ駆動型アプローチ
・モデル駆動型アプローチ
・逆問題解析の課題
・おわりに
2．高強度/延性を有する複合組織鋼の最適組織の探索手法
・はじめに
・最適組織の探索手順の概要
・DP鋼のサンプル作製と特性評価
・DP鋼のミクロ組織分類、解析手法の確立
・DP鋼のミクロ組織から特性を予測する順問題解析技術
・特性を最大化する最適解を探索する逆問題解析技術
・おわりに
3．高強度/延性を有する7000系アルミ合金の製造条件設計
・背景・目的
・製造条件の予測方法
・解析結果
・予測結果の検証実験
・まとめ
4．高強度鋼の接合プロセス最適化
・はじめに
・脆性破壊予測モジュール
・逆問題解析モジュール
・おわりに
5．耐熱鋼の接合プロセス最適化
・はじめに
・溶接熱影響部の巨視的な形状に着目した研究開発
・溶接熱影響部の微視組織に着目した研究開発
・効率的クリープ試験によるクリープ寿命予測と力学的性能評価手法の研究開発
・おわりに
6．逆解析を用いた中高炭素鋼における溶接条件最適化技術
・研究開発の概要
・研究開発の成果
・逆問題検証
・ワークフローの概要
・まとめ
7．高温強度/延性を有する2000系アルミ合金の製造条件設計
・研究開発の概要
・研究開発の成果
・総括
＜2＞順問題/逆問題解析による先進構造材料プロセスと力学特性の予測
1．レーザ三次元積層造形プロセスに関連した予測技術
・はじめに
・レーザ照射時の温度場予測
・凝固割れ予測
・凝固組織・偏析予測
・プロセスウインドウ予測
・おわりに
2．三次元積層造形プロセスに適した新規合金組成探索
・目的
・探索条件と方法
・組織自由エネルギー法による析出予測
・モンテカルロ木探索法による合金組成探索
・おわりに
3．MIntを活用した析出強化型Ni基合金の仮想熱処理実験
・はじめに
・時効熱処理MIの計算ワークフロー
・時効熱処理MIによる仮想熱処理・組織解析実験
・時効熱処理MIによる仮想強度試験
・プロセスマップの構築
・おわりに
4．チタン合金鍛造材の疲労き裂進展予測
・はじめに
・実験・解析方法
・試験片全体の微視組織とき裂発生挙動
・微小き裂の進展挙動
・疲労き裂発生機構の考察
・疲労き裂進展機構の考察
・まとめ
5．チタン合金の固溶強化量予測
・チタンにおける固溶強化量予測と課題
・Labusch理論を用いたα-Ti材における固溶強化量の予測と精度検証
・β-Ti合金の高強度・低弾性率化のための予測モデル構築と添加元素選択
・まとめ
6．高流動性高機能金属粉末の製造開発指針探索：
ガスアトマイズ法、プラズマアトマイズ法、PREP法の比較と最適化
・はじめに
・粉末の流動性と粉末特性の関係
・パウダーベッドのリコート性に対する粉末電気的特性の関係
・粉末表面酸化皮膜の電気的特性と熱的安定性-力学的ひずみ導入の効果
・粉体凝集力の起源についての一考察
・おわりに
＜3＞炭素繊維強化プラスチックにおけるマテリアルズインテグレーション
1．炭素繊維強化プラスチックにおける分子スケール・ミクロスケールモデリング
・はじめに
・マルチスケールモデリング：CFRP積層板の成型時残留変形予測
・おわりに
2．炭素繊維強化プラスチックにおけるメゾスケールモデリング
・はじめに
・解析手法・数理モデルとその定式化
・数値解析例
・おわりに
3．炭素繊維強化プラスチックにおけるマルチスケールモデリングとCoSMICの利活用
・はじめに
・分子シミュレーションから航空機主翼設計までのマルチスケールモデリング
＜4＞マテリアルズインテグレーションの概念を具現化するためのシステム開発
1．システム（MInt）の開発と運用
・はじめに
・材料開発効率化のためのマテリアルズインテグレーション
・MIntシステムの開発
・MIntシステムの構成要素
・実装されたワークフローの習得のための資材提供
・MIntシステムを駆動するハードウェア構成とシステム管理
・まとめ
2．構造材料における逆問題
・構造材料の特殊性とその逆問題
・数理最適化問題としての逆問題：MIOpt
・ベイズ逆問題：スパース混合回帰・MCMC・データ同化
・おわりに
＜5＞構造材料におけるデータの新展開
1．構造材料におけるデータ構造の構築とその応用
・構造材料のデータ構造を設計する背景とSIPにおけるデータ構造設計の方針
・ボトムアップアプローチ：構造材料の共通データ構造の設計
・トップダウンアプローチによるデータ構造の設計
・まとめ
2．ミクロ組織の三次元情報解析
・はじめに
・精密切削と光学顕微鏡を用いた逐次断面観察による3D組織計測
・三次元硬さ分布測定を目指した押込み試験システムの開発
・FIB-SEMによる三次元組織解析
・観察画像を用いた画像解析
・ミクロ組織の三次元情報解析のまとめ
3．トポロジカルデータ解析によるミクロ組織特微量抽出
・はじめに
・白黒二値画像のTDAの枠組み
・グレースケール画像から白黒二値画像への変換
・DP鋼の組織画像の解析と定量化
・DP鋼のミクロ構造を説明変数とする引張強度や全伸びの線型回帰
・考察とまとめ
＜6＞将来展望
1．社会実装の進展（1）MIntを中核とした構造材料DX-MOP
・はじめに
・材料開発の位置付けと課題
・産学オープンイノベーションのデジタル基盤としてのMint
・MIntの社会実装：MIコンソーシアムから構造材料DX-MOPへ
2．社会実装の進展（2）CoSMICの展開
・はじめに
・CoSMICの構成
・今後の展望
3．マテリアルズインテグレーションの今後の展望
・はじめに
・材質予測迅速化によるデジタルツインの実現
・生成AIの活用
おわりに 第2期SIPプログラム：統合型材料開発システムによるマテリアル革命
■監修・編集委員長■
出村 雅彦
国立研究開発法人物質・材料研究機構 技術開発・共用部門 部門長
■監修・編集委員■
榎 学
東京大学 大学院工学系研究科 教授
渡邊 誠
国立研究開発法人物質・材料研究機構 構造材料研究センター
副センター長
岡部 朋永
東北大学 大学院工学研究科 教授
井上 純哉
東京大学 生産技術研究所 教授
源 聡
国立研究開発法人物質・材料研究機構
技術開発・共用部門材料データプラットフォーム プラットフォーム長
