Топография изношенной поверхности и математическое моделирование Ti

Feb 16, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8878 (2023) Цитировать эту статью

Целью данного исследования является исследование топографии изношенной поверхности и математическое моделирование отожженного сплава Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr с использованием методологии поверхности отклика (RSM). Сплав подвергался трем различным режимам с целью изучения их влияния на механические свойства. Первый режим заключался в применении холодной деформации сжатием до падения высоты на 15% при комнатной температуре. Второй режим заключался в обработке деформированных образцов раствором при температуре 920 °С в течение 15 минут с последующим охлаждением на воздухе (AC) до температуры окружающей среды. Третий режим заключался в старении деформированного и обработанного раствором образца в течение 4 часов при температуре 590 °C с последующим охлаждением на воздухе. Три различные скорости (1, 1,5 и 2 м/с) были приняты для проведения сухого скольжения в соответствии с методикой экспериментального проектирования (EDT). Программное обеспечение Gwyddion и Matlab использовалось для аналитического и графического обнаружения фотографий изношенной поверхности. Максимальная твердость 425 HV20 была получена для образца AC+Aging, тогда как минимальная твердость 353 HV20 была получена для отожженного образца. Применение процесса старения после обработки на раствор значительно улучшило износостойкость, и это улучшение достигло 98% по сравнению с отожженным состоянием. Взаимосвязь между входными факторами (твердостью и скоростью) и откликами (зонами Эбботта Файерстоуна) была продемонстрирована с использованием дисперсионного анализа (ANOVA). Лучшие модели зон Abbott Firestone (высокие пики, эксплуатация и пустоты) дают точные данные, которые можно оценить для экономии времени и средств. Результаты показали, что средняя шероховатость поверхности увеличивается с увеличением скорости скольжения для всех условий, кроме условия AC+Старение, где средняя шероховатость поверхности уменьшается с увеличением скорости скольжения. Результаты показали, что при низкой скорости и твердости материал дает самую высокую зону эксплуатации (86%). При высокой скорости и твердости материал дает наименьшую зону эксплуатации (70%). В целом, предсказанные результаты математической модели показали близкое согласие с экспериментальными результатами, что означает, что модели могут быть использованы для удовлетворительного прогнозирования зон Abbott Firestone.

Титановый сплав TC21 обладает высокой прочностью, твердостью и ударной вязкостью и считается революционным типом титановых сплавов α+β. Аэрокосмическая промышленность успешно использует сплав TC21, имеющий следующую химическую формулу: Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr-0,1Si, для изготовления важных компонентов, таких как соединительные коробки шасси и соединения аэродинамического профиля1,2,3. . Контролируя микроструктуру и обрабатываемость в зависимости от термомеханической и термической обработки, двухфазные (α/β) титановые сплавы могут достичь лучшего баланса механических и физических характеристик. Исследователи также интересовались титановыми сплавами с равноосной микроструктурой из-за их высокой прочности и превосходных усталостных характеристик. Однако его использование ограничено низкой твердостью и слабыми трибологическими свойствами4,5,6,7. Процессы постдеформационной термообработки могут применяться для улучшения трибологических свойств титановых сплавов1,8.

Кривая соотношения материалов (кривая Эбботта Файерстоуна) — это термин, обозначающий один из показателей, используемых для определения шероховатости и профиля поверхности. Эта кривая показывает соотношение между выступами (областями с материалом) и впадинами (областями, лишенными материала). Одним из преимуществ использования кривой Эбботта-Файерстоуна является исследование поверхностей, которые могут имитировать эффекты износа и процесса приработки. Кроме того, эта кривая предоставляет подробную информацию об объемах пустот и материалах, которые характеризуют топографию поверхности. В последнее время это может оказаться полезным для определения и использования функциональных критериев в 3D-исследованиях9,10. Полезной характеристикой для оценки функциональных качеств поверхностей и их применения является кривая Эбботта-Файерстоуна.

Некоторые авторы в более ранних публикациях11 утверждали, что кривая Эбботта Файерстоуна будет более точно характеризовать исходную и изношенную поверхности, чем шероховатость поверхности (Ra), и это утверждение поддерживается Торрансом12. Глубокие пустоты могут быть изменены или нет, влияя, например, на способность контактирующих поверхностей смазывать. Трибологический метод может устранить пики, в результате чего на полученном плато появится другая текстура. Когда одновременно происходит несколько типов износа, кривую Эбботта Файерстоуна можно использовать для оценки влияния синергетических процессов, например трибологических. Изучение этой кривой при эксплуатации трибоэлементов может дать представление о вероятности изменения поверхности в ближайшем будущем. Чтобы исследовать качество текстуры зубьев шестерен, Соса и др.13 провели 2D-исследования кривой Эбботта Файерстоуна. В другой работе Соса и др.14 исследовали процесс приработки зуба и обнаружили, что пустоты остаются неизменными, в то время как пики неровностей стираются. Затем они выделили вариации в зоне пика (до 30%) 2D кривых Эбботта-Файерстоуна. Сравнивая кривые Эбботта-Файерстоуна для пораженных и непораженных зон головки бедренной кости, состоящей из современной керамики, Аффатато и др.15 смогли идентифицировать изношенную поверхность. Изучая, как различные топографии поверхности влияют на трибологические свойства, Матиа и Павлус привели примеры и подчеркнули важность определения характеристик и испытаний поверхности16. По мнению Бруззоне и др.17, исследование связей между топографией поверхности, ее функцией и применением является особенно сложной задачей, в которой особое внимание уделяется трибологии. Кара и др.18 исследовали влияние поверхностной и глубокой криогенной обработки на инструментальную сталь Sleipner для холодной обработки с точки зрения микротвердости, микроструктуры, коэффициента трения и скорости изнашивания. Эльшаер и др.19 исследовали текстуру поверхности элементов машин из углеродистой стали, используя кривую Эбботта Файерстоуна.