Topografía de superficie desgastada y modelado matemático de Ti

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8878 (2023) Citar este artículo

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Este estudio tiene como objetivo investigar la topografía de la superficie desgastada y el modelado matemático de la aleación Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr recocida utilizando la metodología de superficie de respuesta (RSM). La aleación se sometió a tres regímenes diferentes para estudiar su efecto sobre las propiedades mecánicas. El primer régimen fue aplicando deformación en frío por compresión hasta un 15% de desnivel a temperatura ambiente. El segundo régimen fue realizar un tratamiento de solución en las muestras deformadas a 920 °C durante 15 min y luego enfriarlas con aire (AC) a temperatura ambiente. El tercer régimen fue aplicar envejecimiento en la muestra deformada y tratada con solución durante 4 horas a 590 °C seguido de enfriamiento por aire. Se adoptaron tres velocidades diferentes (1, 1,5 y 2 m/s) para realizar el desgaste por deslizamiento en seco según la técnica de diseño experimental (EDT). Se usaron los softwares Gwyddion y Matlab para detectar fotografías de superficies desgastadas de forma analítica y gráfica. Se obtuvo una dureza máxima de 425 HV20 para la muestra AC+Aging, mientras que se informó una dureza mínima de 353 HV20 para la muestra recocida. La aplicación del proceso de envejecimiento después del tratamiento de solución mejoró considerablemente la propiedad de desgaste y esta mejora alcanzó el 98 % en comparación con la condición de recocido. La relación entre los factores de entrada (dureza y velocidad) y las respuestas (zonas de Abbott Firestone) se demostró mediante el análisis de varianza (ANOVA). Los mejores modelos para las zonas de Abbott Firestone (picos altos, explotación y vacíos) produjeron datos precisos que se pudieron estimar para ahorrar tiempo y costos. Los resultados mostraron que la rugosidad promedio de la superficie aumenta con el aumento de la velocidad de deslizamiento para todas las condiciones, excepto la condición AC+Envejecimiento, donde la rugosidad promedio de la superficie disminuyó con el aumento de la velocidad de deslizamiento. Los resultados revelaron que a baja velocidad y dureza, el material presenta la mayor zona de explotación (86%). Mientras que a alta velocidad y dureza, el material da la zona de explotación más baja (70%). En general, los resultados pronosticados del modelo matemático mostraron una estrecha concordancia con los resultados experimentales, lo que crea que los modelos podrían utilizarse para predecir satisfactoriamente las zonas de Abbott Firestone.

La aleación de titanio TC21 tiene alta resistencia, dureza y tenacidad, lo que se considera un tipo revolucionario de aleaciones de titanio α+β. La industria aeroespacial ha utilizado con éxito la aleación TC21, que tiene la siguiente fórmula química: Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si, para construir componentes esenciales como cajas de conexión del tren de aterrizaje y juntas aerodinámicas1,2,3 . Al controlar la microestructura y la trabajabilidad, dependiendo de los tratamientos termomecánicos y térmicos, las aleaciones de titanio de dos fases (α/β) pueden lograr un mejor equilibrio de características mecánicas y físicas. Los investigadores también estaban interesados en las aleaciones de titanio con microestructuras equiaxiales debido a su alta resistencia y características de fatiga superiores. Sin embargo, su uso está limitado por su baja dureza y débil comportamiento tribológico4,5,6,7. Se pueden aplicar procesos de tratamiento térmico posterior a la deformación para mejorar el comportamiento tribológico de las aleaciones de titanio1,8.

Curva de proporción de material (curva de Abbott Firestone) es un término para una de las métricas utilizadas para definir la rugosidad y el perfil de la superficie. Esta curva exhibe la relación entre salientes (áreas con material) y depresiones (áreas desprovistas de material). Una de las ventajas de utilizar la curva de Abbott-Firestone es examinar superficies que pueden imitar los efectos del desgaste y el proceso de rodaje. Además, esta curva proporciona detalles sobre los volúmenes vacíos y los materiales que caracterizan la topografía de la superficie. Recientemente, puede ser útil para definir y emplear criterios funcionales en la investigación 3D9,10. Una característica útil para evaluar las cualidades funcionales de las superficies y sus aplicaciones es la curva de Abbott-Firestone.

Algunos autores han afirmado en publicaciones anteriores11 que la curva de Abbott Firestone caracterizaría las superficies iniciales y desgastadas con mayor precisión que la rugosidad de la superficie (Ra), afirmación que es respaldada por Torrance12. Los vacíos profundos pueden ser alterados o no, afectando, por ejemplo, la capacidad de lubricación de las superficies en contacto. Una técnica tribológica puede eliminar los picos, dando como resultado que se coloque una textura diferente en la meseta resultante. Cuando se producen simultáneamente varios tipos de desgaste, la curva de Abbott Firestone se puede utilizar para medir el impacto de los procesos sinérgicos, como los tribológicos. Examinar esta curva mientras se explotan los triboelementos puede dar una idea de la probabilidad de que la superficie cambie en un futuro próximo. Para investigar la calidad textural de los dientes de los engranajes, Sosa et al.13 realizaron estudios 2D de la curva de Abbott Firestone. En un trabajo diferente, Sosa et al.14 examinaron el proceso de rodadura del diente y encontraron que los vacíos parecen permanecer inalterados mientras que los picos de aspereza se desgastan. Luego destacaron las variaciones en la zona pico (hasta un 30%) de las curvas 2D Abbott-Firestone. Al contrastar las curvas de Abbott-Firestone para las zonas afectadas y no afectadas de la cabeza femoral compuestas de cerámica avanzada, Affatato et al.15 pudieron identificar la superficie desgastada. Al examinar cómo las diferentes topografías de la superficie afectan las propiedades tribológicas, Mathia y Pawlus proporcionaron ejemplos y enfatizaron la importancia de la caracterización y las pruebas de la superficie16. Según Bruzzone et al.17, investigar las conexiones entre la topografía de la superficie, la función y la aplicación es una tarea particularmente desafiante que pone un énfasis especial en la tribología. Kara et al.18 investigaron los efectos del tratamiento criogénico superficial y profundo en el acero para herramientas de trabajo en frío Sleipner en términos de microdureza, microestructura, coeficiente de fricción y tasa de desgaste. Elshaer et al.19 investigaron la textura superficial de elementos de máquinas de acero al carbono utilizando la curva de Abbott Firestone.

Hoy en día, las técnicas de diseño de experimentos (DOE) como la metodología de superficie de respuesta (RSM), Taguchi y los métodos de diseño factorial (FD) se utilizan con frecuencia en lugar de la técnica experimental de un factor a la vez que requiere mucho tiempo y es costosa. . RSM utiliza técnicas de modelado para establecer la relación entre las variables de entrada y salida del experimento. Este método ha ganado popularidad en los problemas de ingeniería y se ha utilizado mucho en la caracterización de problemas en los que los elementos de entrada tienen un impacto en el rendimiento determinado de los componentes de salida. Cuando se compara con otras técnicas de optimización, RSM proporciona medidas cuantitativas de posibles interacciones de factores. RSM es la mejor estrategia para aplicar cuando se trata de respuestas de múltiples variables. Este método reduce drásticamente el número de ensayos necesarios para responder a un modelo. Los autores investigaron el uso de RSM para mejorar las características del proceso20,21,22,23. En particular, al evaluar las cualidades de los materiales, necesitará un modelo matemático que pueda pronosticar el resultado de la respuesta en función de los efectos de varias variables del proceso. Las propiedades mecánicas y tribológicas se pueden predecir mediante DOE, análisis de regresión y análisis de varianza (ANOVA)20,21,24,25.

Chauhan y Dass26 utilizaron RSM para investigar cómo la carga, la velocidad y la distancia de deslizamiento afectaban la resistencia al desgaste de la aleación de titanio (grado 5). Notaron que la tasa de desgaste aumenta con el aumento de la carga y la velocidad típicas aplicadas y cae con el aumento de la distancia de deslizamiento y la disminución de la velocidad. Llegaron a la conclusión de que los valores medidos y pronosticados están adecuadamente cerca uno del otro, lo que indica que el modelo cuadrático propuesto se puede emplear de manera efectiva para pronosticar la tasa de desgaste particular de la aleación de titanio con un nivel de confianza del 95 %. Usando RSM, Elshaer et al.20 evaluaron cómo la presión y la velocidad afectaban las zonas de Abbott Firestone y el comportamiento de desgaste del acero con bajo contenido de carbono. Meddah et al.27 investigaron el impacto de la carga (P) y la velocidad de deslizamiento lineal (V) sobre el comportamiento de desgaste y el coeficiente de fricción del acero 13Cr5Ni2Mo. Existe una escasez en el estudio de la rugosidad superficial de las aleaciones de Ti. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo investigar la topografía de la superficie desgastada después de la prueba de desgaste de la aleación de Ti TC21 utilizando los softwares Gwyddion y Matlab. Además, cree un modelo para predecir las zonas de Abbott Firestone (picos altos, explotación y vacíos) en función de la dureza y las velocidades de deslizamiento durante la prueba de desgaste utilizando RSM.

En el presente trabajo se utilizó como material una barra recocida de aleación de Ti TC21 de 7 mm de diámetro y 140 mm de largo. La temperatura de transformación, temperatura transus β, (Tβ) se determinó previamente en aproximadamente 955 °C28. La aleación bajo investigación tiene la siguiente composición química; Ti-6,5Al-3Mo-1,9Nb-2,2Sn-2,2Zr-1,5Cr-0,09Si (% en peso) La aleación se sometió a tres regímenes diferentes para estudiar su efecto sobre las propiedades mecánicas. El primer régimen después del recocido fue la compresión en frío hasta una caída de altura del 15% a temperatura ambiente utilizando una máquina de prueba universal y una velocidad de deformación de carrera de 0,01 s−1. Los especímenes fueron preparados con dimensiones de 7 mm de diámetro y 11,5 mm de longitud para ensayo de compresión en frío. Mientras que el segundo régimen fue la deformación en frío seguida de una solución tratada a 920 °C durante 15 min y luego enfriado al aire (AC) a temperatura ambiente. El tercer régimen después de la deformación en frío y el tratamiento de solución fue el envejecimiento durante 4 horas a 590 °C seguido de enfriamiento por aire. En este trabajo se utilizan 3 regímenes diferentes Fig. 1.

Ciclos de tres regímenes diferentes.

Las mediciones de dureza Vickers se llevaron a cabo de acuerdo con la norma ASTM E92-16, utilizando una carga de 20 kg de fuerza durante un período de permanencia de 15 segundos. Se tomaron cinco lecturas y se informó el valor medio. De acuerdo con la norma ASTM G99-17, la prueba de desgaste se llevó a cabo utilizando un aparato de prueba tribómetro pin-on-ring en estado seco a temperatura ambiente. Se repitieron tres experimentos de desgaste y se tomó el promedio. El anillo giratorio de acero inoxidable endurecido (herramienta de desgaste) tenía un diámetro exterior de 73 mm y una dureza superficial de 63 HRC. Las muestras de desgaste tenían una forma cilíndrica con 7,9 mm de diámetro y 10 mm de longitud. La superficie del anillo se pulió antes de cada prueba utilizando varias láminas de esmeril con un tamaño de grano de 1000. Se utilizaron una carga constante aplicada de 50 N durante 5 min y varias velocidades de deslizamiento lineal de 1, 1,5 y 2 m/s. Previo a la prueba de desgaste, se determinó el peso de la muestra mediante una balanza electrónica con una precisión de 0,1 mg. FESEM se utilizó para examinar las superficies desgastadas de las muestras sometidas a prueba de desgaste. Se han utilizado softwares Gwyddion y Matlab para procesar analítica y gráficamente las fotografías de la superficie desgastada. La rugosidad de la superficie y las curvas de Abbott Firestone también se generaron mediante análisis estadístico y software Excel.

Design Expert-V13 se utilizó para evaluar la dureza y los datos de microscopía de superficie desgastada. El software para diseñar experimentos y realizar análisis estadísticos utiliza la Metodología de superficie de respuesta (RSM). El término "RSM" se refiere a un grupo de enfoques estadísticos y matemáticos para modelar y analizar problemas donde el objetivo es maximizar una respuesta que se ve afectada por una serie de variables. Por lo tanto, se considera como un gran método para evaluar las dificultades industriales. Hay tres modelos para las zonas de Abbott Firestone (picos altos, vacíos y explotación). La correlación entre la respuesta y las variables de entrada en RSM se puede formular de la siguiente manera:

donde f es la función de respuesta, A es la dureza, B es la velocidad e Y es la respuesta deseada.

Los científicos utilizaron un diseño polinomial de experimentos de tipo Pn, donde "n" denota el número de variables (dureza y velocidades de prueba de desgaste) y "P" denota el número de niveles (−1, 0, +1). A la luz de esto, se deben realizar 32 = 9 pruebas de ensayo como mínimo para cada condición. En esta investigación se utilizó el Diseño Experimental Central Compuesto (CCD), y hubo 13 corridas con tres niveles y dos variables (Cuadro 1). Un valor de 0 denota el valor promedio, un valor de +1 es el límite máximo y un valor de -1 es el límite mínimo de los parámetros. La siguiente fórmula se puede usar para construir la ecuación de regresión polinomial de segundo orden, que se usó para construir un modelo matemático y tiene dos parámetros.

donde b0 es el promedio de respuesta, b1, b2……b7 son coeficientes de respuesta, A es dureza, B es velocidad y R es estimado.

La Figura 2 muestra la variación en la dureza para varias condiciones (recocido, deformado en frío, enfriado por aire y enfriado por aire y envejecido). La dureza aumentó de 353 HV20 (muestras recocidas) a 385 HV20 (muestras deformadas). Esto indica que el endurecimiento por deformación, así como los mecanismos de fortalecimiento, dan como resultado un aumento en la dureza de aproximadamente un 9 % como resultado de aplicar un 15 % de deformación en frío. En comparación con los especímenes deformados en frío, la dureza disminuyó después de tratar los especímenes con solución a 366 HV20. Sin embargo, para especímenes enfriados por aire y envejecidos (AC+Envejecimiento), la dureza aumentó nuevamente a 425 HV20.

Dureza de recocido, deformado en frío, enfriado por aire y enfriado por aire y envejecido.

La Figura 3 muestra la relación entre la tasa de desgaste y la velocidad de deslizamiento, que oscila entre 1, 1,5 y 2 m/s con varias condiciones de aleación de Ti TC21 (recocido, deformado en frío, AC y AC+Envejecimiento). Para todas las condiciones, a medida que aumentaba la velocidad de deslizamiento, aumentaba la tasa de desgaste. Los especímenes deformados tienen la tasa de desgaste mínima en comparación con los recocidos. Esto se debe a su alto valor de dureza de 385 HV20 en comparación con las muestras recocidas (353 HV20). La aplicación de una deformación del 15% en las muestras recocidas juega un papel importante en el aumento de la dureza de las muestras deformadas y luego en la mejora de la propiedad de desgaste. Por lo tanto, aplicar una deformación del 15 % a las muestras recocidas es crucial para aumentar la dureza de las muestras deformadas y, por lo tanto, mejorar su resistencia al desgaste. La tasa de desgaste más baja se registró para muestras enfriadas y envejecidas debido a su alta dureza de 425 HV20. Al aplicar el proceso de envejecimiento, las muestras enfriadas por aire tienen una mejora de alrededor del 38 % (a 1,5 m/s). Por lo tanto, se puede concluir que el proceso de envejecimiento posterior al tratamiento con solución (AC+Envejecimiento) puede mejorar significativamente la propiedad de desgaste de la aleación de Ti TC21. Esto significa un aumento de hasta el 98% cuando se comparan especímenes enfriados por aire con recocidos. Las características de dureza y desgaste de la aleación de Ti TC21 estudiada exhiben un fuerte vínculo entre sí, de acuerdo con la teoría de Archard. Estos resultados estuvieron de acuerdo con los resultados de Ibrahim et al.8.

Tasa de desgaste de recocido, deformado en frío, enfriado por aire y enfriado por aire y envejecido.

Las Figuras 4 y 5 muestran las superficies desgastadas de algunas muestras de desgaste seleccionadas probadas con una carga constante aplicada de 50 N durante 5 min y diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s) en diversas condiciones (recocido, deformado en frío, aire). -enfriado, y tanto enfriado por aire como envejecido). En la mayoría de las muestras examinadas, hay signos de deformación plástica en las superficies desgastadas. Particularmente a una velocidad de deslizamiento baja de 1 m/s, también se pueden detectar marcas de deslizamiento continuas con rasguños o ranuras distorsionados plásticamente sobre las pistas de desgaste. Las superficies desgastadas a alta velocidad de deslizamiento (2 m/s) obtuvieron una deformación muy plástica o arado.

Superficies desgastadas de muestras (a) recocidas y (b) deformadas en frío.

Superficies desgastadas de (a) especímenes enfriados por aire y (b) enfriados por aire y envejecidos.

La Figura 4a muestra una superficie desgastada recocida con la carga constante aplicada de 50 N durante 5 min. y diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s). A 1 m/s, la superficie desgastada muestra líneas plásticas, rayas profundas y capas de laminación. Mientras que al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce solo capas de deslaminación más densas. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada obtiene capas profundas de ranurado con rasguños más profundos. La Figura 4b muestra la superficie desgastada deformada en frío con la carga constante aplicada de 50 N durante 5 min a diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s). A 1 m/s, la superficie desgastada exhibe capas de delaminación más profundas, largas y anchas. Al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce capas de delaminación fragmentadas debido al efecto de desgarro. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada muestra capas de picaduras y delaminación.

La Figura 5a muestra la superficie desgastada enfriada por aire (AC) con la carga constante aplicada de 50 N durante 5 min a diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s). A 1 m/s, la superficie desgastada exhibe capas continuas de rotura y delaminación. Además, mostraba una superficie desgastada lisa y plana con algunos rasguños pequeños. Mientras que al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce capas de deslaminación porosa debido al efecto de desgarro. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada sufre capas discontinuas de delaminación a lo largo de una ranura en la superficie desgastada. Sin embargo, la Fig. 5b muestra la superficie desgastada enfriada por aire y envejecida (AC+Envejecimiento). A 1 m/s, la superficie desgastada presenta un arado continuo y discontinuo. Al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce un mecanismo de desgaste por deslaminación debido al efecto de desgarro. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada se muestra por el arado profundo.

Las Figuras 6, 7, 8 y 9 muestran la rugosidad de la superficie de las muestras desgastadas para diversas condiciones metalúrgicas (recocido, deformado en frío, enfriado por aire y enfriado por aire y envejecido). Estas figuras demuestran los diferentes perfiles de rugosidad superficial. El perfil de la superficie se evaluó en las superficies desgastadas, que son algunos de los parámetros para la evaluación de la calidad de la superficie después del desgaste. Está claro que el perfil de rugosidad superficial promedio está directamente relacionado con la velocidad y las condiciones del material. La rugosidad superficial promedio aumenta con el aumento de la velocidad de deslizamiento para todas las condiciones excepto la condición AC+Envejecimiento, donde la rugosidad superficial promedio disminuye con el aumento de la velocidad de deslizamiento. Sin embargo, estos perfiles no pueden juzgar cuantitativamente la textura de la superficie en detalle. Por lo tanto, era importante adoptar técnicas poderosas y simples como la técnica de Abbott Firestone para reconocer cuantitativamente los perfiles de rugosidad de la superficie debido a diferentes velocidades y condiciones del material.

Perfil de rugosidad superficial de especímenes recocidos.

Perfil de rugosidad superficial de especímenes deformados en frío.

Perfil de rugosidad superficial de especímenes enfriados por aire.

Perfil de rugosidad de la superficie de especímenes enfriados por aire y envejecidos.

Las Figuras 10 y 11 muestran las curvas de Abbott Firestone para varias condiciones de muestra (recocido, deformado en frío, enfriado con aire y enfriado con aire y envejecido). La mayoría de las curvas se pueden dividir en tres zonas. La zona I se denomina el pico alto donde esta zona aumenta aproximadamente con el aumento de la velocidad de deslizamiento en la mayoría de las condiciones. La zona II se denomina zona de explotación donde esta zona disminuye aproximadamente al aumentar la velocidad de deslizamiento. Finalmente, la zona III se denomina zona de vacíos. Otras curvas se podían dividir en dos zonas, pico alto y zona de explotación donde desaparecía la zona de vacíos. En la Tabla 2 se dan más detalles de los valores de las tres zonas (pico alto, explotación y vacíos) para el recocido, deformado en frío, enfriado por aire y enfriado por aire y envejecido.

Curvas de Abbott Firestone de condiciones recocidas y deformadas en frío.

Curvas de Abbott Firestone de AC y AC+Condiciones de envejecimiento.

Las figuras 12 y 13 muestran diferentes picos de superficie desgastada para cada condición de manera cualitativa. Todas las figuras enfatizan la existencia de laminación (picos bajos), líneas plásticas (arados) y picos calientes debido a defectos de material.

Diferentes picos de superficie desgastada para condiciones de recocido y deformado en frío.

Diferentes picos de superficie desgastada para condiciones AC y AC+Aging.

Las Figuras 14 y 15 aclaran diferentes pendientes e intersecciones de la aleación de Ti TC21 para las diferentes condiciones. Simplifica la existencia de defectos materiales después de cada condición para determinar la rugosidad superficial aritmética.

Rose parcela de pendiente para todas las condiciones.

Gráfica de rosa de intersección para todas las condiciones.

La figura 16 explica la rugosidad superficial media deducida por el software MATLAB para simular la rugosidad superficial real de Gwyddion. Está claro que las diferentes formas de rugosidad superficial promedio no se corresponden con los diferentes perfiles, como se muestra en las Figs. 6, 7, 8 y 9. Se componen de picos altos, picos bajos y picos medios pero de forma cualitativa.

Perfil de rugosidad superficial de las probetas estudiadas en diferentes condiciones.

Para comprender el comportamiento de la superficie desgastada y determinar el parámetro clave (dureza o velocidad), fue necesario construir un modelo matemático que simulara la tasa de desgaste frente a la velocidad y las condiciones del material (dureza) de manera cuantitativa. Es absolutamente crucial investigar ambos parámetros (dureza y velocidad de la prueba de desgaste) en las zonas de Abbott Firestone y construir un modelo matemático que exprese las zonas de Abbott Firestone en relación con la dureza y la velocidad. CCD se utilizó para ilustrar las zonas de Abbott Firestone relacionadas con la dureza y la velocidad. Las tablas 3 y 4 muestran varios límites para los parámetros de dureza y velocidad junto con las zonas asociadas de Abbott Firestone (picos altos que representan la respuesta 1, explotación que representa la respuesta 2 y vacíos que representan la respuesta 3).

Esta sección estudia los efectos de la dureza y la velocidad en las zonas de Abbott Firestone de la aleación de Ti TC21, que se representan como superficies desgastadas. La investigación y construcción de los modelos de Abbott Firestone se llevó a cabo utilizando RSM. Después de realizar varias pruebas con el software Design-Expert, se propusieron modelos lineales y 2FI basados en la evaluación estadística de varios modelos, como se muestra en las Tablas 4, 5 y 6. El modelo lineal modificado es el mejor para picos altos y zonas de explotación. . Sin embargo, el modelo 2FI para la zona de vacíos, lo que da como resultado un factor de correlación ajustado elevado. El software también descubrió que para los rangos de datos obtenidos, el modelo cúbico tenía un alias. Los valores R-cuadrado de picos altos, zonas de explotación y vacíos son 0,7190, 0,8373 y 0,3853, respectivamente. Sin embargo, los valores de R-cuadrado ajustados son 0,6628, 0,8048 y 0,1804, respectivamente.

La herramienta de diseño estadístico conocida como ANOVA permite diferenciar los impactos individuales de las variables controladas. La búsqueda de factores de control estadísticamente significativos generalmente se realiza utilizando datos experimentales. Usando el software DOE y una técnica de superficie de respuesta, se estudiaron estadísticamente los impactos de la dureza (H) y la velocidad (V) en los picos altos, la explotación y las zonas vacías. Luego se desarrollaron modelos empíricos de zonas de Abbott Firestone basados en estos efectos. Se utilizó la prueba F secuencial para evaluar la importancia del modelo de regresión. Los modelos generados por ANOVA de las zonas de Abbott Firestone se muestran en las Tablas 7, 8 y 9. Los valores F del modelo de 53,71, 162,40 y 3298,27 para picos altos, zonas de explotación y vacíos, respectivamente, proporcionan evidencia de su importancia. Es extremadamente improbable que un valor F significativo sea causado por el ruido; cuya probabilidad es sólo del 0,01%. El valor de R2 pronosticado de 0,5682 para los picos altos no se acerca al valor de R2 ajustado de 0,9634, en el que la diferencia es mayor que 0,2, como normalmente se podría anticipar. Sin embargo, las zonas de explotación y vacíos son 0,8537 y 0,9748, respectivamente, que están lo más cerca posible de los valores R2 ajustados de 0,9878 y 0,9995; donde la diferencia es menor que 0.2. Esto puede ser una señal de un efecto de bloqueo significativo o un problema potencial con nuestro modelo y/o datos. Valores de precisión adecuados para picos altos, zonas de explotación y vacíos, respectivamente, de 28,4762, 49,0535 y 199,0782. Es mejor indicar que el modelo puede explorar el espacio de diseño usando una relación mayor a 4. Los valores de "P > F" de los modelos son menores a 0.05, lo que indica que son significativos (picos altos, zonas de explotación y vacíos) . Esto es ventajoso ya que muestra cuánto afectan los parámetros del modelo a la respuesta (picos altos, zonas de explotación y vacíos). A, B, AB, A2, B2 y A2B son términos importantes en el modelo, entre otros. Si el valor es superior a 0,1, los términos del modelo no son significativos. Al eliminar los términos del modelo menos significativos, el modelo podría mejorarse. Ecuaciones empíricas finales. (3), (4) y (5) pueden identificar picos altos, zonas de explotación y vacíos entre el rango de parámetros evaluados en términos de factores reales, dureza (H), velocidad (V) y sus productos de multiplicación.

Es necesario crear un mapa de contorno y superficie en 3D utilizando ecuaciones empíricas para seguir con precisión el comportamiento de las zonas de Abbott Firestone. La Figura 17 muestra el gráfico de superficie 3D de las zonas de Abbott Firestone (picos altos, explotación y vacíos). La ventaja adicional de las imágenes en 3D es que es posible observar cómo cambia el impacto de un parámetro cuando cambia el valor de otro parámetro. Por ejemplo, considerando el efecto de la dureza (H) y la velocidad (V), es claro que el efecto de la velocidad fue más fuerte en las zonas de pico alto (Fig. 17a) y explotación (Fig. 17b). Sin embargo, tanto el efecto de la dureza como el de la velocidad fueron más fuertes en la zona de vacíos (Fig. 17c). Para predecir los diferentes valores de las zonas de Abbott Firestone, es muy útil construir un mapa de contorno como se ve en la Fig. 18. Al aumentar la dureza y la velocidad, los picos altos aumentan gradualmente (Fig. 18a), mientras que al disminuir la dureza y la velocidad, aumenta. en zona de explotación (Fig. 18b). Para dureza media, el aumento de la velocidad aumenta gradualmente la zona de vacíos (Fig. 18c). A baja velocidad, el aumento de la dureza aumenta ligeramente los picos altos, lo que genera un punto de inflexión positivo en el valor medio de la dureza. A alta velocidad y baja dureza, el doble aumento de los picos altos mientras que el aumento de la dureza a alta velocidad conduce a una ligera disminución de los picos altos (inclinación negativa). Vale la pena mencionar que al aumentar tanto la velocidad como la dureza, aumenta drásticamente los picos altos. Además, la zona de explotación es casi constante. La profundidad de los vacíos es muy baja tanto con el arnés como con la velocidad bajos. Mientras que da vuelco a media dureza a baja velocidad y viceversa. Al aumentar la velocidad a una dureza alta, da una inclinación positiva alta y viceversa, sin embargo, de repente muestra una disminución dramática al aumentar tanto la dureza como la velocidad. La Figura 19 muestra la relación entre las zonas reales y previstas de Abbott Firestone, los picos altos (Fig. 19a), la explotación (Fig. 19b) y los vacíos (Fig. 19c).

Gráfica de superficie en 3D de las zonas de Abbott Firestone (a) picos altos, (b) explotación y (c) vacíos.

Gráfico de contorno de las zonas de Abbott Firestone (a) picos altos, (b) explotación y (c) vacíos.

Relación entre las zonas reales y previstas de Abbott Firestone (a) picos altos, (b) explotación y (c) vacíos.

Este estudio investigó la topografía de la superficie desgastada y el modelado matemático de la aleación Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr utilizando RSM. Las siguientes conclusiones se pueden extraer de los resultados de los experimentos y modelos:

Se obtuvo una dureza máxima de 425 HV20 para la muestra AC+Aging, mientras que se informó una dureza mínima de 353 HV20 para la muestra recocida.

Debido a la alta dureza de la muestra AC+Aging, mostró la tasa de desgaste más baja, mientras que la recocida tuvo la tasa de desgaste más alta. El proceso de envejecimiento después del tratamiento de solución mejora considerablemente la resistencia al desgaste alcanzando el 98% en comparación con la muestra recocida.

La rugosidad superficial promedio (Ra) aumenta con el aumento de la velocidad de deslizamiento para todas las condiciones excepto para la condición AC+Envejecimiento donde la rugosidad superficial promedio disminuye mientras que la velocidad de deslizamiento aumenta.

Los modelos de las zonas de Abbott Firestone (picos altos, explotación y vacíos) predicen con precisión el comportamiento de desgaste de las superficies desgastadas.

A baja velocidad de deslizamiento y dureza, el material presenta la mayor zona de explotación (86%). Mientras que a alta velocidad y dureza, el material da la zona de explotación más baja (70%).

Los resultados anticipados coinciden estrechamente con los hallazgos experimentales, lo que indica que los modelos desarrollados se aplican con éxito para predecir las zonas de Abbott Firestone.

El modelo RSM se utilizó para encontrar la mejor prueba de dureza y velocidad de desgaste para lograr las zonas de explotación más altas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Instituto Tabbin de Estudios Metalúrgicos, El Cairo, Egipto

Ramadán N. Elsher

Instituto Central de I+D Metalúrgico, El Cairo, Egipto

Khaled M. Ibrahim y Ahmed Ismail Zaky Farahat

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Correspondencia a Ramadan N. Elshaer.

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Elshaer, RN, Ibrahim, KM & Farahat, AIZ Topografía de superficie desgastada y modelado matemático de la aleación Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr. Informe científico 13, 8878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35883-1

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Recibido: 12 febrero 2023

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 01 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35883-1

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