Topographie de surface usée et modélisation mathématique de Ti

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8878 (2023) Citer cet article

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Cette étude vise à étudier la topographie de surface usée et la modélisation mathématique de l'alliage Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr recuit en utilisant la méthodologie de surface de réponse (RSM). L'alliage a été soumis à trois régimes différents afin d'étudier leur effet sur les propriétés mécaniques. Le premier régime consistait à appliquer une déformation à froid par compression jusqu'à une chute de hauteur de 15 % à température ambiante. Le deuxième régime consistait à effectuer une solution traitée sur les échantillons déformés à 920 ° C pendant 15 min puis refroidis à l'air (AC) à température ambiante. Le troisième régime consistait à appliquer un vieillissement sur l'échantillon déformé et traité en solution pendant 4 heures à 590 ° C, suivi d'un refroidissement à l'air. Trois vitesses différentes (1, 1,5 et 2 m/s) ont été adoptées pour conduire l'usure par glissement à sec selon la technique de conception expérimentale (EDT). Les logiciels Gwyddion et Matlab ont été utilisés pour détecter analytiquement et graphiquement les photographies de surfaces usées. Une dureté maximale de 425 HV20 a été obtenue pour l'échantillon AC+Aging, tandis qu'une dureté minimale de 353 HV20 a été rapportée pour l'échantillon recuit. L'application du processus de vieillissement après le traitement de mise en solution a considérablement amélioré la propriété d'usure et cette amélioration a atteint 98 % par rapport à l'état recuit. La relation entre les facteurs d'entrée (dureté et vitesse) et les réponses (zones Abbott Firestone) a été démontrée à l'aide d'une analyse de variance (ANOVA). Les meilleurs modèles pour les zones Abbott Firestone (pics élevés, exploitation et vides) ont produit des données précises qui ont pu être estimées pour gagner du temps et de l'argent. Les résultats ont montré que la rugosité de surface moyenne augmente avec l'augmentation de la vitesse de glissement pour toutes les conditions sauf la condition AC + vieillissement où la rugosité de surface moyenne diminue avec l'augmentation de la vitesse de glissement. Les résultats ont révélé qu'à faible vitesse et dureté, le matériau donne la zone d'exploitation la plus élevée (86%). À haute vitesse et dureté, le matériau donne la zone d'exploitation la plus faible (70%). En général, les résultats prédits du modèle mathématique ont montré un accord étroit avec les résultats expérimentaux, créant ainsi que les modèles pourraient être utilisés pour prédire les zones Abbott Firestone de manière satisfaisante.

L'alliage de titane TC21 a une résistance, une dureté et une ténacité élevées, ce qui est considéré comme un type révolutionnaire d'alliages de titane α + β. L'industrie aérospatiale a utilisé avec succès l'alliage TC21, qui a la formule chimique suivante : Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si, pour construire des composants essentiels tels que les boîtes de connexion de train d'atterrissage et les joints de profil aérodynamique1,2,3 . En contrôlant la microstructure et l'ouvrabilité, en fonction des traitements thermomécaniques et thermiques, les alliages de titane à deux phases (α/β) peuvent atteindre un meilleur équilibre des caractéristiques mécaniques et physiques. Les chercheurs se sont également intéressés aux alliages de titane à microstructures équiaxes en raison de leur résistance élevée et de leurs caractéristiques de fatigue supérieures. Cependant, son utilisation est contrainte par sa faible dureté et son faible comportement tribologique4,5,6,7. Des procédés de traitement thermique post-déformation peuvent être appliqués pour améliorer le comportement tribologique des alliages de titane1,8.

La courbe de rapport de matériau (courbe d'Abbott Firestone) est un terme désignant l'une des mesures utilisées pour définir la rugosité et le profil de la surface. Cette courbe montre la relation entre les saillies (zones avec le matériau) et les dépressions (zones dépourvues de matériau). L'un des avantages de l'utilisation de la courbe Abbott-Firestone est d'examiner les surfaces qui peuvent imiter les effets de l'usure et du processus de rodage. De plus, cette courbe fournit des détails sur les volumes de vide et les matériaux qui caractérisent la topographie de surface. Récemment, il peut être utile pour définir et utiliser des critères fonctionnels dans la recherche 3D9,10. Une caractéristique utile pour évaluer les qualités fonctionnelles des surfaces et leurs applications est la courbe d'Abbott-Firestone.

Certains auteurs ont affirmé dans des publications antérieures11 que la courbe d'Abbott Firestone caractériserait les surfaces initiales et usées plus précisément que la rugosité de surface (Ra), une affirmation soutenue par Torrance12. Les vides profonds peuvent être altérés ou non, affectant par exemple la capacité de lubrification des surfaces en contact. Une technique tribologique peut éliminer les pics, entraînant la mise en place d'une texture différente sur le plateau résultant. Lorsque plusieurs types d'usure se produisent simultanément, la courbe Abbott Firestone peut être utilisée pour évaluer l'impact des processus synergiques, tels que les processus tribologiques. L'examen de cette courbe pendant l'exploitation des triboéléments peut donner un aperçu de la probabilité que la surface puisse changer dans un proche avenir. Afin d'étudier la qualité de la texture des dents d'engrenage, Sosa et al.13 ont mené des études 2D de la courbe d'Abbott Firestone. Dans un travail différent, Sosa et al.14 ont examiné le processus de rodage de la dent et ont constaté que les vides semblent rester inchangés tandis que les pics d'aspérité sont usés. Puis ils ont mis en évidence les variations de la zone de pic (jusqu'à 30%) des courbes Abbott-Firestone 2D. En comparant les courbes d'Abbott-Firestone pour les zones affectées et non affectées de la tête fémorale composée de céramique avancée, Affatato et al.15 ont pu identifier la surface usée. En examinant comment différentes topographies de surface affectent les propriétés tribologiques, Mathia et Pawlus ont fourni des exemples et ont souligné l'importance de la caractérisation et des tests de surface16. Selon Bruzzone et al.17, la recherche des liens entre la topographie de surface, la fonction et l'application est une entreprise particulièrement difficile qui met un accent particulier sur la tribologie. Kara et al.18 ont étudié les effets d'un traitement cryogénique peu profond et profond sur l'acier à outils pour travail à froid Sleipner en termes de microdureté, de microstructure, de coefficient de frottement et de taux d'usure. Elshaer et al.19 ont étudié la texture de surface des éléments de machine en acier au carbone à l'aide de la courbe Abbott Firestone.

De nos jours, les techniques de conception d'expériences (DOE) telles que la méthodologie de surface de réponse (RSM), Taguchi et les méthodes de conception factorielle (FD) sont fréquemment utilisées à la place de la technique expérimentale chronophage et coûteuse à un facteur à la fois. . RSM utilise des techniques de modélisation pour établir la relation entre les variables d'entrée et de sortie de l'expérience. Cette méthode a gagné en popularité dans les problèmes d'ingénierie et a été largement utilisée dans la caractérisation des problèmes où les éléments d'entrée ont un impact sur certaines performances des composants de sortie. Par rapport à d'autres techniques d'optimisation, RSM fournit des mesures quantitatives des interactions potentielles entre les facteurs. RSM est la meilleure stratégie à appliquer lorsqu'il s'agit de réponses à plusieurs variables. Cette méthode réduit considérablement le nombre d'essais nécessaires pour répondre à un modèle. L'utilisation de RSM pour améliorer les caractéristiques du processus a été étudiée par les auteurs20,21,22,23. En particulier, lors de l'évaluation des qualités des matériaux, vous aurez besoin d'un modèle mathématique capable de prévoir la sortie de réponse en fonction des effets de diverses variables de processus. Les propriétés mécaniques et tribologiques peuvent être prédites à l'aide du DOE, de l'analyse de régression et de l'analyse de la variance (ANOVA)20,21,24,25.

Chauhan et Dass26 ont utilisé RSM pour étudier comment la charge, la vitesse et la distance de glissement affectaient la résistance à l'usure de l'alliage de titane (grade 5). Ils ont remarqué que le taux d'usure augmente avec une augmentation de la charge et de la vitesse appliquées typiques et diminue avec une augmentation de la distance de glissement et une diminution de la vitesse. Ils sont arrivés à la conclusion que les valeurs mesurées et prédites sont suffisamment proches les unes des autres, ce qui indique que le modèle quadratique proposé peut être utilisé efficacement pour prévoir le taux d'usure particulier de l'alliage de titane avec un niveau de confiance de 95 %. À l'aide de RSM, Elshaer et al.20 ont évalué comment la pression et la vitesse affectaient les zones Abbott Firestone et le comportement à l'usure de l'acier à faible teneur en carbone. L'impact de la charge (P) et de la vitesse de glissement linéaire (V) sur le comportement à l'usure et le coefficient de frottement de l'acier 13Cr5Ni2Mo a été étudié par Meddah et al.27. Il y a une pénurie dans l'étude de la rugosité de surface des alliages de Ti. Par conséquent, cette étude vise à étudier la topographie de la surface usée après des tests d'usure de l'alliage Ti TC21 à l'aide des logiciels Gwyddion et Matlab. De plus, créez un modèle pour prédire les zones Abbott Firestone (pics élevés, exploitation et vides) en fonction de la dureté et des vitesses de glissement pendant le test d'usure à l'aide de RSM.

Dans le présent travail, le matériau utilisé était une barre en alliage Ti TC21 recuite de 7 mm de diamètre et de 140 mm de long. La température de transformation, β transus temperature, (Tβ) a été précédemment déterminée à environ 955 °C28. L'alliage étudié a la composition chimique suivante ; Ti-6.5Al-3Mo-1.9Nb-2.2Sn-2.2Zr-1.5Cr-0.09Si (% en poids). L'alliage a été soumis à trois régimes différents pour étudier leur effet sur les propriétés mécaniques. Le premier régime après recuit était une compression à froid jusqu'à une chute de hauteur de 15 % à température ambiante à l'aide d'une machine d'essai universelle et d'une vitesse de déformation de 0,01 s−1. Les éprouvettes ont été préparées avec des dimensions de 7 mm de diamètre et 11,5 mm de longueur pour le test de compression à froid. Alors que le deuxième régime était une déformation à froid suivie d'une solution traitée à 920 ° C pendant 15 min puis refroidie à l'air (AC) à température ambiante. Le troisième régime après la déformation à froid et le traitement en solution consistait en un vieillissement de 4 heures à 590 ° C suivi d'un refroidissement à l'air. Il existe 3 régimes différents utilisés dans ce travail Fig. 1.

Cycles de trois régimes différents.

Les mesures de dureté Vickers ont été effectuées conformément à la norme ASTM E92-16, en utilisant une charge de 20 kg de force pendant une durée de séjour de 15 secondes. Cinq lectures ont été prises et la valeur moyenne a été rapportée. Selon la norme ASTM G99-17, le test d'usure a été effectué en utilisant un appareil de test de tribomètre à broche sur anneau dans un état sec à température ambiante. Trois expériences d'usure dans le temps ont été répétées et une moyenne a été prise. L'anneau en acier inoxydable trempé tournant (outil d'usure) avait un diamètre extérieur de 73 mm et une dureté de surface de 63 HRC. Les éprouvettes d'usure avaient une forme cylindrique de 7,9 mm de diamètre et 10 mm de longueur. La surface de l'anneau a été polie avant chaque test à l'aide de différentes feuilles d'émeri avec une taille de grain de 1000. Avec une charge appliquée constante de 50 N pendant 5 min et différentes vitesses de glissement linéaire de 1, 1,5 et 2 m/s ont été utilisées. Avant les tests d'usure, le poids de l'échantillon a été déterminé à l'aide d'une balance électronique avec une précision de 0,1 mg. FESEM a été utilisé pour examiner les surfaces usées des spécimens testés contre l'usure. Les logiciels Gwyddion et Matlab ont été utilisés pour traiter analytiquement et graphiquement les photographies de surfaces usées. La rugosité de surface et les courbes Abbott Firestone ont également été produites à l'aide d'analyses statistiques et du logiciel Excel.

Design Expert-V13 a été utilisé pour évaluer la dureté et les données de microscopie de surface usée. Le logiciel de conception d'expériences et d'analyses statistiques utilise la méthodologie de surface de réponse (RSM). Le terme « RSM » fait référence à un groupe d'approches statistiques et mathématiques pour modéliser et analyser des problèmes dont l'objectif est de maximiser une réponse qui est affectée par un certain nombre de variables. Par conséquent, il est considéré comme une excellente méthode pour évaluer les difficultés industrielles. Il existe trois modèles pour les zones Abbott Firestone (pics élevés, vides et exploitation). La corrélation entre la réponse et les variables d'entrée dans RSM peut être formulée comme suit :

où f est la fonction de réponse, A est la dureté, B est la vitesse et Y est la réponse souhaitée.

Les scientifiques ont utilisé un plan d'expériences polynomial de type Pn, où "n" désigne le nombre de variables (dureté et vitesses d'essai d'usure) et "P" désigne le nombre de niveaux (− 1, 0, +1). De ce fait, 32 = 9 tests d'essai doivent être effectués au minimum pour chaque condition. La conception composite centrale expérimentale (CCD) a été utilisée dans cette enquête, et il y avait 13 essais avec trois niveaux et deux variables (tableau 1). Une valeur de 0 indique la valeur moyenne, une valeur de +1 est la limite maximale et une valeur de -1 est la limite minimale des paramètres. La formule suivante peut être utilisée pour construire l'équation de régression polynomiale du second ordre, qui a été utilisée pour construire un modèle mathématique et a deux paramètres.

où b0 est la moyenne de réponse, b1, b2……b7 sont des coefficients de réponse, A est la dureté, B est la vitesse et R est estimé.

La figure 2 illustre la variance de la dureté pour diverses conditions (recuit, déformé à froid, refroidi à l'air et à la fois refroidi à l'air et vieilli). La dureté est passée de 353 HV20 (éprouvettes recuites) à 385 HV20 (éprouvettes déformées). Cela indique que l'écrouissage, ainsi que les mécanismes de renforcement, entraînent une augmentation de la dureté d'environ 9 % suite à l'application de 15 % de déformation à froid. En comparaison avec les éprouvettes déformées à froid, la dureté a chuté après le traitement de la solution des éprouvettes à 366 HV20. Cependant, pour les éprouvettes refroidies à l'air et vieillies (AC+Vieillissement), la dureté a de nouveau augmenté à 425 HV20.

Dureté de recuit, déformé à froid, refroidi à l'air et à la fois refroidi à l'air et vieilli.

La figure 3 montre la relation entre le taux d'usure et la vitesse de glissement, qui varie de 1, 1,5 et 2 m/s avec différentes conditions d'alliage de Ti TC21 (recuit, déformé à froid, AC et AC + vieillissement). Dans toutes les conditions, à mesure que la vitesse de glissement augmentait, le taux d'usure augmentait. Les éprouvettes déformées ont le taux d'usure minimum par rapport aux éprouvettes recuites. Cela est dû à sa valeur de dureté élevée de 385 HV20 par rapport aux éprouvettes recuites (353 HV20). L'application d'une déformation de 15 % sur les éprouvettes recuites joue un rôle important dans l'augmentation de la dureté des éprouvettes déformées, puis dans l'amélioration de la propriété d'usure. Par conséquent, l'application d'une déformation de 15 % aux éprouvettes recuites est cruciale pour augmenter la dureté des éprouvettes déformées et ainsi améliorer leur résistance à l'usure. Le taux d'usure le plus faible a été enregistré pour les éprouvettes refroidies et vieillies en raison de leur dureté élevée de 425 HV20. En appliquant le processus de vieillissement, les éprouvettes refroidies à l'air présentent une amélioration d'environ 38 % (à 1,5 m/s). Ainsi, on peut conclure que le processus de vieillissement suivant le traitement en solution (AC + Aging) peut améliorer de manière significative la propriété d'usure de l'alliage TC21 Ti. Cela signifie une augmentation allant jusqu'à 98 % lorsque l'on compare des échantillons refroidis à l'air à des échantillons recuits. Les caractéristiques de dureté et d'usure de l'alliage TC21 Ti étudié présentent un lien étroit entre elles, conformément à la théorie d'Archard. Ces résultats étaient en accord avec les résultats d'Ibrahim et al.8.

Taux d'usure des produits recuits, déformés à froid, refroidis à l'air et à la fois refroidis à l'air et vieillis.

Les figures 4 et 5 montrent les surfaces usées de certains spécimens d'usure sélectionnés testés à une charge constante appliquée de 50 N pendant 5 min et à différentes vitesses (1, 1,5 et 2 m/s) dans diverses conditions (recuit, déformé à froid, à l'air). -refroidi, refroidi à l'air et vieilli). Dans la plupart des spécimens examinés, il y a des signes de déformation plastique sur les surfaces usées. Particulièrement à une faible vitesse de glissement de 1 m/s, des marques de glissement continues avec des rayures ou des rainures déformées plastiquement peuvent également être détectées sur les pistes d'usure. Les surfaces usées à grande vitesse de glissement (2 m/s) ont obtenu une déformation ou un labour très plastique.

Surfaces usées des éprouvettes (a) recuites et (b) déformées à froid.

Surfaces usées des spécimens (a) refroidis à l'air et (b) refroidis à l'air et vieillis.

La figure 4a montre la surface usée recuite à la charge constante appliquée de 50 N pendant 5 min. et différentes vitesses (1, 1,5 et 2 m/s). À 1 m/s, la surface usée présente des lignes plastiques, des rayures profondes et des couches de stratification. Tandis qu'en augmentant la vitesse à 1,5 m/s, la surface usée ne produit que des couches de délaminage plus denses. D'autre part à 2 m/s, la surface usée obtient des couches de gougeage profondes avec des rayures plus profondes. La figure 4b montre la surface usée déformée à froid à la charge constante appliquée de 50 N pendant 5 min à différentes vitesses (1, 1,5 et 2 m/s). A 1 m/s, la surface usée présente des couches de délaminage plus profondes, longues et larges. En augmentant la vitesse à 1,5 m/s, la surface usée produit des couches de délaminage fragmentées en raison de l'effet de déchirement. Par contre à 2 m/s, la surface usée présente des couches de piqûres et de délaminage.

La figure 5a montre la surface usée refroidie par air (AC) à la charge constante appliquée de 50 N pendant 5 min à différentes vitesses (1, 1,5 et 2 m/s). A 1 m/s, la surface usée présente des couches continues de labour et de délaminage. De plus, il présentait une surface usée lisse et plate avec quelques petites rayures. Tandis qu'en augmentant la vitesse à 1,5 m/s, la surface usée produit des couches poreuses de délaminage du fait de l'effet de déchirement. D'autre part à 2 m/s, la surface usée subit des couches discontinues de délaminage le long d'une rainure sur la surface usée. Cependant, la figure 5b montre la surface usée refroidie à l'air et vieillie (AC + Aging). A 1 m/s, la surface usée présente un labour continu et discontinu. Avec une vitesse croissante à 1,5 m/s, la surface usée produit un mécanisme d'usure par délaminage en raison de l'effet de déchirement. Par contre à 2 m/s, la surface usée ressort des labours profonds.

Les figures 6, 7, 8 et 9 montrent la rugosité de surface des éprouvettes usées pour diverses conditions métallurgiques (recuit, déformé à froid, refroidi à l'air et à la fois refroidi à l'air et vieilli). Ces figures montrent les différents profils de rugosité de surface. Le profil de la surface a été évalué sur les surfaces usées, qui sont quelques-uns des paramètres d'évaluation de la qualité de surface après usure. Il est clair que le profil moyen de rugosité de surface est directement lié à la vitesse et aux conditions du matériau. La rugosité de surface moyenne augmente avec l'augmentation de la vitesse de glissement pour toutes les conditions sauf la condition AC + vieillissement, où la rugosité de surface moyenne diminue avec l'augmentation de la vitesse de glissement. Cependant, ces profils ne permettent pas de juger quantitativement la texture de surface en détail. Par conséquent, il était important d'adopter des techniques puissantes et simples telles que la technique Abbott Firestone pour reconnaître quantitativement les profils de rugosité de surface en raison de différentes vitesses et conditions de matériaux.

Profil de rugosité de surface des éprouvettes recuites.

Profil de rugosité de surface d'éprouvettes déformées à froid.

Profil de rugosité de surface d'éprouvettes refroidies à l'air.

Profil de rugosité de surface d'éprouvettes refroidies à l'air et vieillies.

Les figures 10 et 11 montrent les courbes d'Abbott Firestone pour diverses conditions d'échantillon (recuit, déformé à froid, refroidi à l'air et à la fois refroidi à l'air et vieilli). La plupart des courbes peuvent être divisées en trois zones. La zone I est appelée le pic élevé où cette zone augmente approximativement avec l'augmentation de la vitesse de glissement dans la plupart des conditions. La zone II est appelée zone d'exploitation où cette zone diminue approximativement avec l'augmentation de la vitesse de glissement. Enfin, la zone III est appelée zone de vides. Une autre courbe pourrait être divisée en deux zones, haute crête et zone d'exploitation où la zone de vides a disparu. De plus amples détails sur les valeurs des trois zones (pic élevé, exploitation et vides) pour les recuits, déformés à froid, refroidis à l'air et à la fois refroidis à l'air et vieillis sont donnés dans le tableau 2.

Courbes Abbott Firestone des conditions recuites et déformées à froid.

Courbes Abbott Firestone des conditions AC et AC+Aging.

Les figures 12 et 13 montrent différents pics de surface usée pour chaque condition de manière qualitative. Tous les chiffres mettent l'accent sur l'existence de laminage (bas pics), de lignes plastiques (charrues) et de pics chauds dus à des défauts de matériaux.

Différents pics de surface usée pour les conditions recuites et déformées à froid.

Différents pics de surface usée pour les conditions AC et AC+Aging.

Les figures 14 et 15 clarifient les différentes pentes et intersections de l'alliage Ti TC21 pour les différentes conditions. Il simplifie l'existence de défauts matériels après chaque condition pour déterminer la rugosité de surface arithmétique.

Rose parcelle de pente pour toutes les conditions.

Graphique en rose de l'interception pour toutes les conditions.

La figure 16 explique la rugosité de surface moyenne déduite par le logiciel MATLAB pour simuler la rugosité de surface réelle par Gwyddion. Il est clair que différentes formes de rugosité de surface moyenne ne correspondent pas à différents profils, comme le montrent les Fig. 6, 7, 8 et 9. Ils sont constitués de pics hauts, de pics bas et de pics moyens mais de manière qualitative.

Profil de rugosité de surface des éprouvettes étudiées dans différentes conditions.

Pour comprendre le comportement de la surface usée et déterminer le paramètre clé (dureté ou vitesse), il était nécessaire de construire une modélisation mathématique simulant le taux d'usure en fonction de la vitesse et des conditions du matériau (dureté) de manière quantitative. Il est absolument crucial d'étudier les deux paramètres (essai de dureté et de vitesse d'usure) sur les zones Abbott Firestone et de construire un modèle mathématique qui exprime les zones Abbott Firestone en relation avec la dureté et la vitesse. Le CCD a été utilisé pour illustrer les zones Abbott Firestone liées à la dureté et à la vitesse. Les tableaux 3 et 4 présentent diverses limites pour les paramètres de dureté et de vitesse ainsi que les zones Abbott Firestone associées (pics élevés représentant la réponse 1, exploitation représentant la réponse 2 et vides représentant la réponse 3).

Cette section étudie les effets de la dureté et de la vitesse sur les zones Abbott Firestone de l'alliage Ti TC21, qui représentent des surfaces usées. L'étude et la construction des modèles Abbott Firestone ont été réalisées à l'aide de RSM. Après avoir procédé à plusieurs essais à l'aide du logiciel Design-Expert, des modèles linéaires et 2FI ont été proposés sur la base de l'évaluation statistique de plusieurs modèles, comme indiqué dans les tableaux 4, 5 et 6. Le modèle linéaire modifié est le meilleur pour les pics élevés et les zones d'exploitation. . Cependant, le modèle 2FI pour la zone de vides, qui se traduit par un facteur de corrélation ajusté élevé. Le logiciel a également découvert que pour les plages de données obtenues, le modèle cubique était aliasé. Les valeurs R au carré des pics élevés, des zones d'exploitation et des vides sont respectivement de 0,7190, 0,8373 et 0,3853. Cependant, les valeurs R-carré ajustées sont respectivement de 0,6628, 0,8048 et 0,1804.

L'outil de conception statistique connu sous le nom d'ANOVA permet de différencier les impacts individuels des variables contrôlées. La recherche de facteurs de contrôle statistiquement significatifs se fait généralement à l'aide de données expérimentales. À l'aide du logiciel DOE et d'une technique de surface de réponse, les impacts de la dureté (H) et de la vitesse (V) sur les pics élevés, l'exploitation et les zones de vides ont été étudiés statistiquement. Des modèles empiriques de zones Abbott Firestone ont ensuite été développés sur la base de ces effets. Le test F séquentiel a été utilisé pour évaluer la significativité du modèle de régression. Les modèles générés par ANOVA des zones Abbott Firestone sont présentés dans les tableaux 7, 8 et 9. Les valeurs F du modèle de 53,71, 162,40 et 3298,27 pour les pics élevés, l'exploitation et les zones vides, respectivement, témoignent de son importance. Il est extrêmement peu probable qu'une valeur F significative soit causée par le bruit ; dont la probabilité n'est que de 0,01 %. La valeur R2 prédite de 0,5682 pour les pics élevés est loin de la valeur R2 ajustée de 0,9634, dans laquelle la différence est supérieure à 0,2, comme on pourrait généralement s'y attendre. Cependant, les zones d'exploitation et de vides sont respectivement de 0,8537 et 0,9748, qui sont aussi proches que possible des valeurs R2 ajustées de 0,9878 et 0,9995 ; où la différence est inférieure à 0,2. Cela peut être le signe d'un effet de bloc important ou d'un problème potentiel avec notre modèle et/ou nos données. Valeurs de précision Adeq pour les zones de pics élevés, d'exploitation et de vides, respectivement, de 28,4762, 49,0535 et 199,0782. Il est préférable d'indiquer que le modèle peut explorer l'espace de conception en utilisant un rapport supérieur à 4. Les valeurs "P > F" des modèles sont inférieures à 0,05, ce qui indique qu'elles sont significatives (zones de pics élevés, d'exploitation et de vides) . Ceci est avantageux car il montre à quel point les paramètres du modèle affectent la réponse (pics élevés, exploitation et zones de vides). A, B, AB, A2, B2 et A2B sont des termes importants dans le modèle, entre autres. Si la valeur est supérieure à 0,1, les termes du modèle ne sont pas significatifs. En éliminant les termes du modèle les moins significatifs, le modèle pourrait être amélioré. Eqs empiriques finales. (3), (4) et (5) peuvent identifier les pics élevés, l'exploitation et les zones de vides parmi la gamme de paramètres évalués en termes de facteurs réels, de dureté (H), de vitesse (V) et de leurs produits de multiplication.

La construction d'une carte de surface et de contour 3D à l'aide d'équations empiriques est nécessaire pour suivre avec précision le comportement des zones Abbott Firestone. La figure 17 affiche le tracé de surface 3D des zones Abbott Firestone (pics élevés, exploitation et vides). L'avantage supplémentaire des visuels 3D est de pouvoir observer comment l'impact d'un paramètre change lorsque la valeur d'un autre paramètre change. Par exemple, compte tenu de l'effet de la dureté (H) et de la vitesse (V), il est clair que l'effet de la vitesse était plus fort dans les zones de pic élevé (Fig. 17a) et d'exploitation (Fig. 17b). Cependant, la dureté et l'effet de vitesse étaient plus forts dans la zone des vides (Fig. 17c). Pour prédire les différentes valeurs des zones Abbott Firestone, il est très utile de construire une carte de contour comme le montre la Fig. 18. Lorsque la dureté et la vitesse augmentent, les pics élevés augmentent progressivement (Fig. 18a), tandis que lorsque la dureté et la vitesse diminuent, elles augmentent. en zone d'exploitation (Fig. 18b). Pour une dureté moyenne, l'augmentation de la vitesse augmente progressivement la zone de vides (Fig. 18c). À faible vitesse, l'augmentation de la dureté augmente légèrement les pics élevés, créant un point de basculement positif à la valeur moyenne de la dureté. À haute vitesse et faible dureté, une double augmentation des pics élevés tout en augmentant la dureté à haute vitesse conduit à une légère diminution des pics élevés (basculement négatif). Il est digne de mention que l'augmentation à la fois de la vitesse et de la dureté augmente considérablement les pics élevés. De plus, la zone d'exploitation est quasi constante. La profondeur des vides est très faible à la fois à faible harnais et à faible vitesse. Alors qu'il donne un basculement au milieu de la dureté à faible vitesse et vice versa. En augmentant la vitesse à haute dureté, il donne un basculement positif élevé et vice versa, cependant, il montre soudainement une diminution spectaculaire en augmentant à la fois la dureté et la vitesse. La figure 19 montre la relation entre les zones Abbott Firestone réelles et prévues, les pics élevés (fig. 19a), l'exploitation (fig. 19b) et les vides (fig. 19c).

Tracé de surface 3D des zones Abbott Firestone (a) hauts sommets, (b) exploitation et (c) vides.

Graphique de contour des zones Abbott Firestone (a) hauts sommets, (b) exploitation et (c) vides.

Relation entre les zones Abbott Firestone réelles et prévues (a) pics élevés, (b) exploitation et (c) vides.

Cette étude a examiné la topographie de la surface usée et la modélisation mathématique de l'alliage Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr à l'aide de RSM. Les conclusions suivantes peuvent être tirées des résultats des expériences et de la modélisation :

Une dureté maximale de 425 HV20 a été obtenue pour l'échantillon AC+Aging, tandis qu'une dureté minimale de 353 HV20 a été rapportée pour l'échantillon recuit.

En raison de la dureté élevée de l'échantillon AC + Aging, il a montré le taux d'usure le plus faible, tandis que celui recuit avait le taux d'usure le plus élevé. Le processus de vieillissement après mise en solution améliore considérablement la résistance à l'usure atteignant 98% par rapport à l'échantillon recuit.

La rugosité de surface moyenne (Ra) augmente avec l'augmentation de la vitesse de glissement pour toutes les conditions, à l'exception de la condition AC + vieillissement où la rugosité de surface moyenne diminue tandis que la vitesse de glissement augmente.

Les modèles des zones Abbott Firestone (pics élevés, exploitation et vides) prédisent avec précision le comportement d'usure des surfaces usées.

À faible vitesse de glissement et dureté, le matériau donne la zone d'exploitation la plus élevée (86%). À haute vitesse et dureté, le matériau donne la zone d'exploitation la plus faible (70%).

Les résultats attendus correspondent étroitement aux résultats expérimentaux, indiquant que les modèles développés sont appliqués avec succès pour prédire les zones Abbott Firestone.

Le modèle RSM a été utilisé pour trouver le meilleur test de dureté et de vitesse d'usure pour atteindre les zones d'exploitation les plus élevées.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Institut Tabbin d'études métallurgiques, Le Caire, Égypte

Ramadan N.Elsher

Institut central de R&D métallurgique, Le Caire, Égypte

Khaled M. Ibrahim & Ahmed Ismail Zaky Farahat

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Correspondance à Ramadan N. Elshaer.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Elshaer, RN, Ibrahim, KM & Farahat, AIZ Topographie de surface usée et modélisation mathématique de l'alliage Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr. Sci Rep 13, 8878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35883-1

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Reçu : 12 février 2023

Accepté : 25 mai 2023

Publié: 01 juin 2023

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

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