Topografia de superfície desgastada e modelagem matemática de Ti

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8878 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este estudo tem como objetivo investigar a topografia da superfície desgastada e a modelagem matemática da liga recozida Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr utilizando metodologia de superfície de resposta (RSM). A liga foi submetida a três regimes diferentes para estudar seu efeito nas propriedades mecânicas. O primeiro regime foi aplicar deformação a frio por compressão até queda de 15% na altura à temperatura ambiente. O segundo regime foi a solução tratada nas amostras deformadas a 920 °C por 15 min e depois resfriadas a ar (AC) até a temperatura ambiente. O terceiro regime foi aplicar envelhecimento na amostra deformada e tratada com solução durante 4 horas a 590 °C, seguido de resfriamento a ar. Três velocidades diferentes (1, 1,5 e 2 m/s) foram adotadas para conduzir o desgaste por deslizamento a seco de acordo com a técnica de projeto experimental (EDT). Os softwares Gwyddion e Matlab foram utilizados para detectar analiticamente e graficamente fotografias de superfícies desgastadas. A dureza máxima de 425 HV20 foi obtida para a amostra AC+Aging, enquanto a dureza mínima de 353 HV20 foi relatada para a amostra recozida. A aplicação do processo de envelhecimento após o tratamento com solução melhorou consideravelmente a propriedade de desgaste e esta melhoria atingiu 98% em comparação com a condição recozida. A relação entre fatores de entrada (dureza e velocidade) e respostas (zonas Abbott Firestone) foi demonstrada por meio de análise de variância (ANOVA). Os melhores modelos para zonas Abbott Firestone (picos elevados, exploração e vazios) produziram dados precisos que puderam ser estimados para economizar tempo e custos. Os resultados mostraram que a rugosidade superficial média aumenta com o aumento da velocidade de deslizamento para todas as condições, exceto a condição AC+Envelhecimento, onde a rugosidade superficial média diminuiu com o aumento da velocidade de deslizamento. Os resultados revelaram que em baixa velocidade e dureza, o material apresenta a maior zona de exploração (86%). Embora em alta velocidade e dureza, o material apresenta a zona de exploração mais baixa (70%). Em geral, os resultados previstos do modelo matemático mostraram estreita concordância com os resultados experimentais, criando que os modelos poderiam ser utilizados para prever as zonas Abbott Firestone de forma satisfatória.

A liga de Ti TC21 possui alta resistência, dureza e tenacidade, sendo considerada um tipo revolucionário de ligas de titânio α+β. A indústria aeroespacial utilizou com sucesso a liga TC21, que possui a seguinte fórmula química: Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr-0,1Si, para construir componentes essenciais, como caixas de conexão do trem de pouso e juntas de aerofólio1,2,3 . Ao controlar a microestrutura e a trabalhabilidade, dependendo dos tratamentos termomecânicos e térmicos, as ligas de titânio de duas fases (α/β) podem alcançar um melhor equilíbrio das características mecânicas e físicas. Os pesquisadores também estavam interessados ​​em ligas de titânio com microestruturas equiaxiais devido à sua alta resistência e características superiores de fadiga. No entanto, seu uso é limitado por sua baixa dureza e fraco comportamento tribológico4,5,6,7. Processos de tratamento térmico pós-deformação podem ser aplicados para melhorar o comportamento tribológico de ligas de titânio .

Curva de proporção de material (curva Abbott Firestone) é um termo para uma das métricas usadas para definir rugosidade e perfil de superfície. Esta curva exibe a relação entre saliências (áreas com material) e depressões (áreas desprovidas de material). Um benefício do uso da curva Abbott-Firestone é examinar superfícies que podem imitar os efeitos do desgaste e do processo de rodagem. Além disso, esta curva fornece detalhes sobre os volumes vazios e materiais que caracterizam a topografia da superfície. Recentemente, pode ser útil para definir e empregar critérios funcionais em pesquisas 3D9,10. Uma característica útil para avaliar as qualidades funcionais de superfícies e suas aplicações é a curva Abbott-Firestone.

Alguns autores afirmaram em publicações anteriores11 que a curva Abbott Firestone caracterizaria as superfícies iniciais e desgastadas com mais precisão do que a rugosidade superficial (Ra), uma afirmação que é apoiada por Torrance12. Os vazios profundos podem ser alterados ou não, afetando, por exemplo, a capacidade de lubrificação das superfícies em contato. Uma técnica tribológica pode eliminar os picos, resultando na colocação de uma textura diferente no platô resultante. Quando vários tipos de desgaste ocorrem simultaneamente, a curva Abbott Firestone pode ser usada para avaliar o impacto de processos sinérgicos, como os tribológicos. Examinar esta curva durante a exploração dos triboelementos pode fornecer informações sobre a probabilidade de a superfície mudar em um futuro próximo. Para investigar a qualidade textural dos dentes das engrenagens, Sosa et al.13 conduziram estudos 2D da curva Abbott Firestone. Em outro trabalho, Sosa et al.14 examinaram o processo de amaciamento do dente e descobriram que os vazios parecem permanecer inalterados enquanto os picos de aspereza desaparecem. Em seguida, destacaram as variações na zona de pico (até 30%) das curvas 2D Abbott-Firestone. Ao contrastar as curvas de Abbott-Firestone para as zonas afetadas e não afetadas da cabeça femoral composta por cerâmica avançada, Affatato et al.15 conseguiram identificar a superfície desgastada. Ao examinar como diferentes topografias de superfície afetam as propriedades tribológicas, Mathia e Pawlus forneceram exemplos e enfatizaram a importância da caracterização e teste de superfície . De acordo com Bruzzone et al.17, pesquisar as conexões entre topografia, função e aplicação da superfície é uma tarefa particularmente desafiadora que dá ênfase especial à tribologia. Kara et al.18 investigaram os efeitos do tratamento criogênico superficial e profundo no aço para ferramentas para trabalho a frio Sleipner em termos de microdureza, microestrutura, coeficiente de atrito e taxa de desgaste. Elshaer et al.19 investigaram a textura superficial de elementos de máquinas de aço carbono usando a curva Abbott Firestone.