Topografia de superfície desgastada e modelagem matemática de Ti

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr recozida usando a metodologia de superfície de resposta (RSM). A liga foi submetida a três regimes diferentes de forma a estudar o seu efeito nas propriedades mecânicas. O primeiro regime foi a aplicação de deformação a frio por compressão até uma queda de 15% na altura à temperatura ambiente. O segundo regime foi a realização de solução tratada nas amostras deformadas a 920 °C por 15 min, em seguida, resfriadas ao ar (AC) até a temperatura ambiente. O terceiro regime foi a aplicação de envelhecimento no espécime deformado e tratado com solução por 4 horas a 590 ° C, seguido de resfriamento ao 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 planejamento experimental (EDT). Os softwares Gwyddion e Matlab foram usados ​​para detectar fotografias de superfícies desgastadas analítica e graficamente. 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 de solução melhorou consideravelmente a propriedade de desgaste e esse aumento atingiu 98% em comparação com a condição recozida. A relação entre fatores de entrada (dureza e velocidade) e respostas (zonas de Abbott Firestone) foi demonstrada usando análise de variância (ANOVA). Os melhores modelos para as zonas Abbott Firestone (altos picos, exploração e vazios) produziram dados precisos que puderam ser estimados para economizar tempo e custo. Os resultados mostraram que a rugosidade média da superfície aumenta com o aumento da velocidade de deslizamento para todas as condições, exceto na condição AC+Aging, onde a rugosidade média da superfície diminui com o aumento da velocidade de deslizamento. Os resultados revelaram que em baixa velocidade e dureza, o material apresenta a maior zona de aproveitamento (86%). Enquanto em alta velocidade e dureza, o material apresenta a menor zona de aproveitamento (70%). Em geral, os resultados previstos do modelo matemático mostraram concordância próxima com os resultados experimentais, criando que os modelos poderiam ser utilizados para prever as zonas Abbott Firestone satisfatoriamente.

A liga de titânio TC21 possui alta resistência, dureza e tenacidade, o que é considerado 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 de características mecânicas e físicas. Os pesquisadores também estavam interessados ​​em ligas de titânio com microestruturas equiaxiais por causa de sua alta resistência e características de fadiga superiores. 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 titânio1,8.

Curva de proporção de material (curva de Abbott Firestone) é um termo para uma das métricas usadas para definir a rugosidade e o perfil da superfície. Esta curva mostra a relação entre saliências (áreas com material) e depressões (áreas sem material). Um benefício de usar a curva Abbott-Firestone é examinar superfícies que podem imitar os efeitos do desgaste e do processo de amaciamento. 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 das superfícies e suas aplicações é a curva de Abbott-Firestone.

Alguns autores afirmaram em publicações anteriores11 que a curva de Abbott Firestone caracterizaria as superfícies iniciais e desgastadas com mais precisão do que a rugosidade da superfície (Ra), uma afirmação que é apoiada por Torrance12. Os vazios profundos podem estar alterados ou não, afetando, por exemplo, a capacidade de lubrificação das superfícies em contato. Uma técnica tribológica pode eliminar os picos, resultando em uma textura diferente sendo colocada no platô resultante. Quando vários tipos de desgaste ocorrem simultaneamente, a curva Abbott Firestone pode ser usada para medir o impacto de processos sinérgicos, como os tribológicos. Examinar essa curva durante a exploração dos triboelementos pode fornecer informações sobre a probabilidade de que a superfície mude em um futuro próximo. A fim de investigar a qualidade textural dos dentes da engrenagem, Sosa et al.13 realizaram estudos 2D da curva de Abbott Firestone. Em outro trabalho, Sosa et al.14 examinaram o processo de amaciamento do dente e constataram que os vazios parecem permanecer inalterados enquanto os picos de aspereza se desgastam. Em seguida, destacaram as variações na zona de pico (até 30%) das curvas Abbott-Firestone 2D. Ao comparar as curvas de Abbott-Firestone para as zonas afetadas e não afetadas da cabeça femoral composta de 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 superfície16. Segundo Bruzzone et al.17, pesquisar as conexões entre topografia de superfície, função e aplicação é uma tarefa particularmente desafiadora que coloca uma ênfase especial na tribologia. Kara et al.18 investigaram os efeitos do tratamento criogênico raso e profundo no aço para ferramenta de trabalho a frio Sleipner em termos de microdureza, microestrutura, coeficiente de atrito e taxa de desgaste. Elshaer et al.19 investigaram a textura da superfície de elementos de máquinas de aço carbono usando a curva Abbott Firestone.