Topografía de superficies desgastadas 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 una aleación recocida Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr utilizando la metodología de superficie de respuesta (RSM). La aleación fue sometida a tres regímenes diferentes para estudiar su efecto sobre las propiedades mecánicas. El primer régimen fue aplicar deformación en frío por compresión hasta una caída de altura del 15% a temperatura ambiente. El segundo régimen consistió en realizar un tratamiento con solución en las muestras deformadas a 920 °C durante 15 minutos y luego se enfrió con aire (AC) a temperatura ambiente. El tercer régimen fue aplicar envejecimiento sobre 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 seco según la técnica de diseño experimental (EDT). Se utilizaron los software 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 con 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 análisis de varianza (ANOVA). Los mejores modelos para las zonas de Abbott Firestone (picos altos, explotación y vacíos) produjeron datos precisos que podían estimarse para ahorrar tiempo y costos. Los resultados mostraron que la rugosidad superficial promedio aumenta al aumentar la velocidad de deslizamiento para todas las condiciones excepto la condición AC+Envejecimiento donde la rugosidad superficial promedio disminuyó al aumentar 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 presenta la zona de explotación más baja (70%). En general, los resultados predichos del modelo matemático mostraron una estrecha concordancia con los resultados experimentales, lo que hace que los modelos puedan 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 conexiones de trenes de aterrizaje y juntas de perfiles aerodinámicos1,2,3 . 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 superiores de fatiga. Sin embargo, su uso está limitado por su baja dureza y su débil comportamiento tribológico4,5,6,7. Se pueden aplicar procesos de tratamiento térmico post-deformación para mejorar el comportamiento tribológico de las aleaciones de titanio1,8.

La curva de relación de materiales (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 protuberancias (áreas con el material) y depresiones (áreas desprovistas de material). Un beneficio 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 resultar 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 respaldada por Torrance12. Los huecos profundos pueden verse alterados o no, afectando, por ejemplo, la capacidad de lubricación de las superficies en contacto. Una técnica tribológica puede eliminar los picos, lo que da como resultado que se coloque una textura diferente en la meseta resultante. Cuando se producen varios tipos de desgaste simultáneamente, la curva de Abbott Firestone se puede utilizar para medir el impacto de procesos sinérgicos, como los tribológicos. Examinar esta curva mientras se explotan los triboelementos puede proporcionar información sobre 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 otro trabajo, Sosa et al.14 examinaron el proceso de rodaje del diente y encontraron que los huecos parecen permanecer inalterados mientras los picos de aspereza desaparecen. Luego resaltaron las variaciones en la zona máxima (hasta el 30%) de las curvas 2D de 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 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, su función y su aplicación es una tarea particularmente desafiante que pone especial énfasis 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, costosa y que requiere mucho tiempo. . RSM utiliza técnicas de modelado para establecer la relación entre las variables de entrada y salida del experimento. Este método ha ganado popularidad en 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. En comparación con otras técnicas de optimización, RSM proporciona medidas cuantitativas de posibles interacciones de factores. RSM es la mejor estrategia a aplicar cuando se trata de respuestas de múltiples variables. Este método reduce drásticamente la cantidad de pruebas necesarias 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 la respuesta en función de los efectos de diversas 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 un aumento en la carga y velocidad aplicadas típicas y disminuye con un aumento en la distancia de deslizamiento y una disminución en la velocidad. Llegaron a la conclusión de que los valores medidos y predichos están suficientemente cerca entre sí, lo que indica que el modelo cuadrático propuesto se puede emplear eficazmente para pronosticar la tasa de desgaste particular de la aleación de titanio con un nivel de confianza del 95%. Utilizando RSM, Elshaer et al.20 evaluaron cómo la presión y la velocidad afectaban a las zonas Abbott Firestone del acero con bajo contenido de carbono y al comportamiento de desgaste. Meddah et al.27 investigaron el impacto de la carga (P) y la velocidad de deslizamiento lineal (V) en el comportamiento de desgaste y el coeficiente de fricción del acero 13Cr5Ni2Mo. Hay una escasez de estudios sobre 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 las pruebas 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 huecos) en función de la dureza y las velocidades de deslizamiento durante la prueba de desgaste utilizando RSM.

En el presente trabajo, el material utilizado fue una barra recocida de aleación de Ti TC21 con 7 mm de diámetro y 140 mm de largo. La temperatura de transformación, temperatura β transus, (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 fue sometida 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 por carrera de 0,01 s-1. Las probetas se prepararon con dimensiones de 7 mm de diámetro y 11,5 mm de longitud para el 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 minutos y luego enfriada por aire (AC) a temperatura ambiente. El tercer régimen después de la deformación en frío y el tratamiento con solución fue el envejecimiento durante 4 horas a 590 °C seguido de enfriamiento con 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 una 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 de pasador sobre anillo en estado seco a temperatura ambiente. Se repitieron tres experimentos de desgaste y se tomó el promedio. El anillo de acero inoxidable endurecido por hilatura (herramienta de desgaste) tenía un diámetro exterior de 73 mm y una dureza superficial de 63 HRC. Las probetas de desgaste tenían 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 hojas de esmeril con un tamaño de grano de 1000. Se utilizaron una carga aplicada constante de 50 N durante 5 minutos y varias velocidades de deslizamiento lineal de 1, 1,5 y 2 m/s. Antes de la prueba de desgaste, el peso de la muestra se determinó utilizando una balanza electrónica con una precisión de 0,1 mg. Se utilizó FESEM para examinar las superficies desgastadas de muestras sometidas a pruebas de desgaste. Se han utilizado los softwares Gwyddion y Matlab para procesar analítica y gráficamente las fotografías de la superficie desgastada. También se produjeron curvas de rugosidad de la superficie y de Abbott Firestone utilizando análisis estadístico y software Excel.

Se utilizó Design Expert-V13 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 cuestiones donde el objetivo es maximizar una respuesta que se ve afectada por una serie de variables. Por tanto, se considera 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 las variables de respuesta y 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). En vista de esto, se deben realizar 32 = 9 pruebas de prueba 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 (Tabla 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 utilizar para construir la ecuación de regresión polinómica de segundo orden, que se utilizó 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 se estima.

La Figura 2 muestra la variación en la dureza para diversas condiciones (recocido, deformado en frío, enfriado por aire y tanto enfriado por aire como 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 las muestras deformadas en frío, la dureza disminuyó después del tratamiento con solución a 366 HV20. Sin embargo, para las muestras enfriadas por aire y envejecidas (AC+Aging), la dureza aumentó nuevamente a 425 HV20.

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

La Figura 3 muestra la relación entre la tasa de desgaste y la velocidad de deslizamiento, que varía entre 1, 1,5 y 2 m/s con diversas condiciones de aleación de Ti TC21 (recocido, deformado en frío, AC y AC+envejecimiento). En todas las condiciones, a medida que aumentaba la velocidad de deslizamiento, aumentaba la tasa de desgaste. Las probetas deformadas tienen una tasa de desgaste mínima en comparación con las recocidas. 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 así mejorar su resistencia al desgaste. La tasa de desgaste más baja se registró en las probetas 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 aproximadamente el 38% (a 1,5 m/s). Por lo tanto, se puede concluir que el proceso de envejecimiento después del 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 % al comparar muestras enfriadas por aire con muestras recocidas. Las características de dureza y desgaste de la aleación de Ti TC21 estudiada muestran 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 tanto enfriado por aire como envejecido.

Las Figuras 4 y 5 muestran las superficies desgastadas de algunas muestras de desgaste seleccionadas ensayadas con una carga constante aplicada de 50 N durante 5 minutos 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 los ejemplares examinados se observan signos de deformación plástica en las superficies desgastadas. Especialmente con una velocidad de deslizamiento baja de 1 m/s se pueden detectar también sobre las pistas de desgaste marcas de deslizamiento continuas con rayas o ranuras deformadas plásticamente. Las superficies desgastadas a alta velocidad de deslizamiento (2 m/s) obtuvieron una deformación altamente plástica o de arado.

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

Superficies desgastadas de (a) muestras enfriadas por aire y (b) enfriadas por aire y envejecidas.

La Figura 4a muestra una superficie desgastada recocida con una 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 presenta líneas plásticas, rayones profundos y capas de laminación. Mientras que al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce sólo capas de delaminación más densas. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada obtiene capas de ranuras profundas con rayones más profundos. La Figura 4b muestra la superficie desgastada deformada en frío con la carga constante aplicada de 50 N durante 5 minutos a diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s). A 1 m/s, la superficie desgastada presenta 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 una carga constante aplicada de 50 N durante 5 minutos a diferentes velocidades (1, 1,5 y 2 m/s). A 1 m/s, la superficie desgastada presenta capas continuas de arado y delaminación. Además, mostraba una superficie desgastada, lisa y plana con algunos pequeños rayones. Mientras que al aumentar la velocidad a 1,5 m/s, la superficie desgastada produce capas de delaminación porosas debido al efecto de desgarro. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada sufre capas de delaminación discontinuas 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 delaminación debido al efecto de desgarro. Por otro lado, a 2 m/s, la superficie desgastada se nota debido al 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 tanto enfriado por aire como envejecido). Estas figuras demuestran los diferentes perfiles de rugosidad de la superficie. Se evaluó el perfil de la superficie 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 promedio de rugosidad de la superficie está directamente relacionado con la velocidad y las condiciones del material. La rugosidad superficial promedio aumenta al aumentar la velocidad de deslizamiento para todas las condiciones excepto la condición AC+Envejecimiento, donde la rugosidad superficial promedio disminuye al aumentar la velocidad de deslizamiento. Sin embargo, estos perfiles no pueden evaluar cuantitativamente en detalle la textura de la superficie. 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 probetas recocidas.

Perfil de rugosidad superficial de probetas deformadas en frío.

Perfil de rugosidad superficial de muestras enfriadas por aire.

Perfil de rugosidad superficial de muestras enfriadas por aire y envejecidas.

Las Figuras 10 y 11 muestran las curvas de Abbott Firestone para diversas condiciones de la muestra (recocida, deformada en frío, enfriada por aire y tanto enfriada por aire como envejecida). La mayoría de las curvas se pueden dividir en tres zonas. La zona I se denomina pico alto y esta zona aumenta aproximadamente al aumentar 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 podrían dividir en dos zonas, zona de 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 huecos) para recocido, deformado en frío, enfriado por aire y tanto enfriado por aire como envejecido.

Curvas de Abbott Firestone de condiciones de recocido y deformado en frío.

Curvas de Abbott Firestone de condiciones de CA y CA+Envejecimiento.

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

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

Diferentes picos de superficie desgastada para condiciones de CA y CA+Envejecimiento.

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 del material después de cada condición para determinar la rugosidad aritmética de la superficie.

Parcela rosa de pendiente para todas las condiciones.

Gráfico de intersección de Rose 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 diferentes formas de rugosidad superficial promedio no coinciden con diferentes perfiles, como se muestra en las Figs. 6, 7, 8 y 9. Consisten en picos altos, picos bajos y picos medios pero de manera 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 versus la velocidad y las condiciones del material (dureza) de manera cuantitativa. Es absolutamente crucial investigar ambos parámetros (dureza y velocidad 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. Se utilizó CCD 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 representan superficies desgastadas. La investigación y construcción de los modelos de Abbott Firestone se realizó utilizando RSM. Después de realizar varias pruebas utilizando 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 resulta en un factor de correlación ajustado elevado. El software descubrió también que para los rangos de datos obtenidos, el modelo cúbico tenía un alias. Los valores de R cuadrado de las zonas de picos altos, 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. Utilizando 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 significancia 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 zonas de picos altos, explotación y vacíos, respectivamente, proporcionan evidencia de su importancia. Es extremadamente improbable que un valor F significativo sea causado por ruido; cuya probabilidad es sólo del 0,01%. El valor R2 previsto de 0,5682 para picos altos no está ni cerca del valor 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 son lo más cercanas posible a 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 que 4. Los valores “P > F” de los modelos son menores a 0.05, lo que indica que son significativos (picos altos, explotación y zonas de vacíos). . Esto es ventajoso ya que muestra cuánto afectan los parámetros del modelo a la respuesta (picos altos, explotación y zonas de 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. Eliminando los términos menos significativos del modelo, el modelo podría mejorarse. Ec. 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 mapas de contornos y superficies 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 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), está claro que el efecto de la velocidad fue más fuerte en las zonas de pico alto (Fig. 17a) y de explotación (Fig. 17b). Sin embargo, tanto el efecto de dureza como el de 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 se muestra un aumento. en zona de explotación (Fig. 18b). Para dureza media, aumentar la velocidad aumenta gradualmente la zona de huecos (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 aumento doble 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, aumentan dramáticamente los picos altos. Además, la zona de explotación es casi constante. La profundidad de los huecos es muy baja tanto a baja velocidad como a baja velocidad. Mientras que da inclinación a mitad de dureza a baja velocidad y viceversa. Al aumentar la velocidad con una dureza alta, se produce 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).

Gráfico de superficie 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. De los resultados de los experimentos y modelos se pueden extraer las siguientes conclusiones:

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 con solución mejora considerablemente la resistencia al desgaste, alcanzando el 98% en comparación con la muestra recocida.

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

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

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

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

Se utilizó el modelo RSM para encontrar la mejor prueba de dureza y velocidad de desgaste para lograr las zonas de mayor explotación.

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. Elshaer

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

Khaled M. Ibrahim y Ahmed Ismail Zaky Farahat

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Conceptualización, RNE, KMI y AIZF; metodología, RNE, KMI y AIZF; validación, RNE, KMI y AIZF; análisis formal, RNE, KMI y AIZF; investigación, RNE, KMI y AIZF; recursos, RNE y KMI; curación de datos, RNE, KMI y AIZF; redacción-elaboración de borradores originales, RNE y AIZF; redacción-revisión y edición, RNE, KMI y AIZF; visualización, RNE, KMI y AIZF; supervisión, RNE, KMI y AIZF Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Ramadan N. Elshaer.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 12 de febrero de 2023

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 01 de junio de 2023

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

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