材料設計計算工学

近年、材料組織形態情報から部材特性を計算する手法が進展している

多くの場合、部材の諸特性（力学特性、磁気特性、誘電特性…）は、ミクロな内部組織形態に依存して変化する。したがって、組織制御に基づく部材開発は、材料工学および機械工学の主要なテーマであり、その実現の基本は通常、

（1）構成相（格子欠陥なども含む）の選択（発見も含む）

（2）構成相（格子欠陥なども含む）の分率の最適化

（3）組織サイズ（分布なども含む）の最適化

（4）組織形態の最適化

に集約される^（1）。近年、構成相の設計については、状態図（相図）の計算手法であるCALPHAD法^{（2）（3）}が、また組織形成に関しては、相変態・組織形成の計算手法であるフェーズフィールド（PF）法^{（4）～（10）}が進展した（なお本稿では第一原理電子状態計算には触れない）。上記（1）と（2）はCALPHAD法、また（3）と（4）はPF法にて解析される。図1にPF法による材料組織の計算例を示す。さらに現在、PF法にて算出された不均一組織情報を特性計算の境界条件として使用する、いわゆるイメージベースの部材特性計算手法も広く発展している。例えば力学特性に関しては、マイクロメカニックスや均質化法など、また磁気特性に関してはマイクロマグネティクスなどがあり、分野別に解析手法が確立している^{（7）（10）}。したがって、以上のノウハウを集約することによって、構成相から組織、ひいては材料特性までを結びつけた系統的な部材設計が可能であり、筆者はこれを「材料設計計算工学」と呼んでいる^{（3）（5）}。

図1　フェーズフィールド法による各種組織形成の計算例^（4）