Abgenutzte Oberflächentopographie und mathematische Modellierung von Ti

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8878 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ziel dieser Studie ist die Untersuchung der abgenutzten Oberflächentopographie und der mathematischen Modellierung von geglühten Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr-Legierungen unter Verwendung der Response-Surface-Methodik (RSM). Die Legierung wurde drei verschiedenen Belastungen ausgesetzt, um deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Bei der ersten Methode wurde eine Kaltverformung durch Kompression angewendet, bis die Höhe bei Raumtemperatur um 15 % abnahm. Das zweite Verfahren bestand darin, die verformten Proben 15 Minuten lang bei 920 °C einer Lösungsbehandlung zu unterziehen und sie dann an der Luft (AC) auf Umgebungstemperatur abzukühlen. Bei der dritten Methode wurde die verformte und lösungsbehandelte Probe 4 Stunden lang bei 590 °C gealtert und anschließend an der Luft abgekühlt. Drei verschiedene Geschwindigkeiten (1, 1,5 und 2 m/s) wurden verwendet, um trockenen Gleitverschleiß gemäß der experimentellen Entwurfstechnik (EDT) durchzuführen. Die Softwareprogramme Gwyddion und Matlab wurden verwendet, um abgenutzte Oberflächenfotos analytisch und grafisch zu erkennen. Für die AC+Alterungsprobe wurde eine maximale Härte von 425 HV20 erreicht, während für die geglühte Probe eine Mindesthärte von 353 HV20 angegeben wurde. Durch die Anwendung eines Alterungsprozesses nach der Lösungsbehandlung wurde die Verschleißeigenschaft erheblich verbessert, und diese Verbesserung erreichte 98 % im Vergleich zum geglühten Zustand. Die Beziehung zwischen Eingabefaktoren (Härte und Geschwindigkeit) und Reaktionen (Abbott Firestone-Zonen) wurde mithilfe der Varianzanalyse (ANOVA) nachgewiesen. Die besten Modelle für Abbott Firestone-Zonen (hohe Spitzen, Ausbeutung und Hohlräume) lieferten genaue Daten, die geschätzt werden konnten, um Zeit und Kosten zu sparen. Die Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Oberflächenrauheit mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit für alle Bedingungen zunimmt, mit Ausnahme der AC+Aging-Bedingung, bei der die durchschnittliche Oberflächenrauheit mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit abnahm. Die Ergebnisse zeigten, dass das Material bei niedriger Geschwindigkeit und Härte die höchste Ausbeutungszone (86 %) ergibt. Bei hoher Geschwindigkeit und Härte ergibt das Material die niedrigste Ausbeutungszone (70 %). Im Allgemeinen zeigten die vorhergesagten Ergebnisse des mathematischen Modells eine enge Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, sodass Modelle zur zufriedenstellenden Vorhersage der Abbott-Firestone-Zonen eingesetzt werden konnten.

Die Ti-Legierung TC21 weist eine hohe Festigkeit, Härte und Zähigkeit auf und gilt als revolutionärer Typ der α+β-Titanlegierungen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat die TC21-Legierung mit der folgenden chemischen Formel erfolgreich eingesetzt: Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr-0,1Si, um wichtige Komponenten wie Fahrwerksverbindungskästen und Tragflächenverbindungen zu bauen1,2,3 . Durch die Steuerung der Mikrostruktur und Bearbeitbarkeit in Abhängigkeit von thermomechanischen und Wärmebehandlungen können zweiphasige (α/β) Titanlegierungen ein besseres Gleichgewicht mechanischer und physikalischer Eigenschaften erreichen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und überlegenen Ermüdungseigenschaften interessierten sich die Forscher auch für Titanlegierungen mit gleichachsiger Mikrostruktur. Seine Verwendung wird jedoch durch seine geringe Härte und sein schwaches tribologisches Verhalten eingeschränkt4,5,6,7. Wärmebehandlungsverfahren nach der Verformung können zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens von Titanlegierungen eingesetzt werden1,8.

Die Materialverhältniskurve (Abbott-Firestone-Kurve) ist ein Begriff für eine der Metriken, die zur Definition von Oberflächenrauheit und -profil verwendet werden. Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen Vorsprüngen (Bereichen mit Material) und Vertiefungen (Bereichen ohne Material). Ein Vorteil der Verwendung der Abbott-Firestone-Kurve besteht darin, Oberflächen zu untersuchen, die die Auswirkungen von Verschleiß und Einlaufprozess imitieren können. Darüber hinaus liefert diese Kurve Details zu den Hohlraumvolumina und Materialien, die die Oberflächentopographie charakterisieren. In letzter Zeit kann es hilfreich sein, funktionale Kriterien in der 3D-Forschung zu definieren und anzuwenden9,10. Ein nützliches Merkmal zur Bewertung der funktionalen Eigenschaften von Oberflächen und ihrer Anwendungen ist die Abbott-Firestone-Kurve.

Einige Autoren haben in früheren Veröffentlichungen11 behauptet, dass die Abbott-Firestone-Kurve die ursprünglichen und abgenutzten Oberflächen genauer charakterisieren würde als die Oberflächenrauheit (Ra), eine Behauptung, die von Torrance12 unterstützt wird. Die tiefen Hohlräume können verändert sein oder nicht, was sich beispielsweise auf die Schmierfähigkeit der Kontaktflächen auswirkt. Eine tribologische Technik kann die Spitzen beseitigen, was zu einer anderen Textur auf dem resultierenden Plateau führt. Wenn mehrere Verschleißarten gleichzeitig auftreten, kann die Abbott-Firestone-Kurve zur Messung der Auswirkungen synergistischer Prozesse, beispielsweise tribologischer Prozesse, verwendet werden. Die Untersuchung dieser Kurve während der Nutzung der Triboelemente könnte Aufschluss über die Wahrscheinlichkeit geben, dass sich die Oberfläche in naher Zukunft ändern könnte. Um die Texturqualität von Zahnradzähnen zu untersuchen, führten Sosa et al.13 2D-Studien der Abbott-Firestone-Kurve durch. In einer anderen Arbeit untersuchten Sosa et al.14 den Einlaufprozess des Zahns und stellten fest, dass die Hohlräume scheinbar unverändert bleiben, während die Unebenheiten abgetragen werden. Anschließend hoben sie die Variationen in der Spitzenzone (bis zu 30 %) der 2D-Abbott-Firestone-Kurven hervor. Durch den Vergleich der Abbott-Firestone-Kurven für die betroffenen und nicht betroffenen Zonen des aus Hochleistungskeramik bestehenden Femurkopfes konnten Affatato et al.15 die abgenutzte Oberfläche identifizieren. Bei der Untersuchung, wie sich unterschiedliche Oberflächentopografien auf die tribologischen Eigenschaften auswirken, lieferten Mathia und Pawlus Beispiele und betonten die Bedeutung der Oberflächencharakterisierung und -prüfung16. Laut Bruzzone et al.17 ist die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Oberflächentopographie, Funktion und Anwendung ein besonders anspruchsvolles Unterfangen, bei dem ein besonderer Schwerpunkt auf der Tribologie liegt. Kara et al.18 untersuchten die Auswirkungen einer flachen und tiefen kryogenen Behandlung auf Sleipner-Kaltarbeitsstahl im Hinblick auf Mikrohärte, Mikrostruktur, Reibungskoeffizient und Verschleißrate. Elshaer et al.19 untersuchten die Oberflächentextur von Maschinenelementen aus Kohlenstoffstahl mithilfe der Abbott-Firestone-Kurve.

Heutzutage werden Techniken der Versuchsplanung (DOE) wie Response Surface Methodology (RSM), Taguchi und faktorielle Designmethoden (FD) häufig anstelle der zeitaufwändigen und teuren experimentellen Technik mit jeweils einem Faktor verwendet . RSM verwendet Modellierungstechniken, um die Beziehung zwischen experimentellen Eingabe- und Ausgabevariablen herzustellen. Diese Methode erfreut sich bei technischen Problemen zunehmender Beliebtheit und wird häufig bei der Charakterisierung von Problemen eingesetzt, bei denen Eingabeelemente einen Einfluss auf die bestimmte Leistung von Ausgabekomponenten haben. Im Vergleich zu anderen Optimierungstechniken liefert RSM quantitative Messungen potenzieller Faktorinteraktionen. RSM ist die beste Strategie für den Umgang mit Antworten mit mehreren Variablen. Diese Methode reduziert die Anzahl der Versuche, die erforderlich sind, um auf ein Modell zu reagieren, erheblich. Die Verwendung von RSM zur Verbesserung der Prozesseigenschaften wurde von den Autoren untersucht20,21,22,23. Insbesondere bei der Bewertung von Materialqualitäten benötigen Sie ein mathematisches Modell, das die Antwortauswirkungen auf der Grundlage der Auswirkungen verschiedener Prozessvariablen vorhersagen kann. Mechanische und tribologische Eigenschaften können mithilfe von DOE, Regressionsanalyse und Varianzanalyse (ANOVA)20,21,24,25 vorhergesagt werden.

Chauhan und Dass26 untersuchten mithilfe von RSM, wie sich Last, Geschwindigkeit und Gleitweg auf die Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen (Grad 5) auswirken. Sie stellten fest, dass die Verschleißrate mit zunehmender typischer Belastung und Geschwindigkeit zunimmt und mit zunehmender Gleitstrecke und abnehmender Geschwindigkeit abnimmt. Sie kamen zu dem Schluss, dass die gemessenen und vorhergesagten Werte ausreichend nahe beieinander liegen, was darauf hindeutet, dass das vorgeschlagene quadratische Modell effektiv zur Vorhersage der jeweiligen Verschleißrate von Titanlegierungen mit einem Konfidenzniveau von 95 % eingesetzt werden kann. Mithilfe von RSM untersuchten Elshaer et al.20, wie sich Druck und Geschwindigkeit auf die Abbott Firestone-Zonen und das Verschleißverhalten von kohlenstoffarmem Stahl auswirken. Der Einfluss der Last (P) und der linearen Gleitgeschwindigkeit (V) auf das Verschleißverhalten und den Reibungskoeffizienten von 13Cr5Ni2Mo-Stahl wurde von Meddah et al.27 untersucht. Es gibt nur wenige Untersuchungen zur Oberflächenrauheit von Ti-Legierungen. Daher zielt diese Studie darauf ab, die abgenutzte Oberflächentopographie nach Verschleißtests der TC21-Ti-Legierung mit den Softwareprogrammen Gwyddion und Matlab zu untersuchen. Erstellen Sie außerdem ein Modell zur Vorhersage der Abbott Firestone-Zonen (hohe Spitzen, Ausbeutung und Hohlräume) als Funktion der Härte und der Gleitgeschwindigkeiten während des Verschleißtests mithilfe von RSM.

In der vorliegenden Arbeit wurde als Material ein geglühter Stab aus TC21-Ti-Legierung mit 7 mm Durchmesser und 140 mm Länge verwendet. Die Transformationstemperatur, β-Transustemperatur (Tβ), wurde zuvor auf etwa 955 °C28 bestimmt. Die untersuchte Legierung hat die folgende chemische Zusammensetzung; Ti-6,5Al-3Mo-1,9Nb-2,2Sn-2,2Zr-1,5Cr-0,09Si (Gew.%). Die Legierung wurde drei verschiedenen Belastungen ausgesetzt, um ihre Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Das erste Verfahren nach dem Glühen war die Kaltkomprimierung bis zu einem Höhenabfall von 15 % bei Umgebungstemperatur unter Verwendung einer Universalprüfmaschine und einer Hub-Dehnungsrate von 0,01 s−1. Die Proben wurden mit Abmessungen von 7 mm Durchmesser und 11,5 mm Länge für den Kaltkompressionstest vorbereitet. Beim zweiten Verfahren erfolgte die Kaltverformung, gefolgt von einer 15-minütigen Lösungsbehandlung bei 920 °C und anschließender Luftkühlung (AC) auf Umgebungstemperatur. Der dritte Modus nach der Kaltverformung und Lösungsbehandlung bestand aus einer 4-stündigen Alterung bei 590 °C und anschließender Luftkühlung. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Rigime verwendet, Abb. 1.

Zyklen von drei verschiedenen Regimen.

Vickers-Härtemessungen wurden gemäß der Norm ASTM E92-16 unter Verwendung einer Last von 20 kg und einer Verweildauer von 15 Sekunden durchgeführt. Es wurden fünf Messungen vorgenommen und der Mittelwert angegeben. Gemäß der Norm ASTM G99-17 wurde der Verschleißtest mit einem Pin-on-Ring-Tribometer-Testgerät im trockenen Zustand bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Dreimalige Verschleißexperimente wurden wiederholt und der Durchschnitt ermittelt. Der durch Drehen gehärtete Edelstahlring (Verschleißwerkzeug) hatte einen Außendurchmesser von 73 mm und eine Oberflächenhärte von 63 HRC. Die Verschleißproben hatten eine zylindrische Form mit 7,9 mm Durchmesser und 10 mm Länge. Die Ringoberfläche wurde vor jedem Test mit verschiedenen Schmirgelblättern der Körnung 1000 poliert. Es wurden 5 Minuten lang eine gleichmäßige Belastung von 50 N und verschiedene lineare Gleitgeschwindigkeiten von 1, 1,5 und 2 m/s verwendet. Vor der Verschleißprüfung wurde das Gewicht der Probe mit einer elektronischen Waage mit einer Genauigkeit von 0,1 mg bestimmt. Mit FESEM wurden die verschlissenen Oberflächen verschleißgetesteter Proben untersucht. Gwyddion- und Matlab-Software wurden verwendet, um die Fotos der abgenutzten Oberfläche analytisch und grafisch zu verarbeiten. Mithilfe statistischer Analysen und Excel-Software wurden auch Oberflächenrauheits- und Abbott-Firestone-Kurven erstellt.

Design Expert-V13 wurde zur Auswertung von Härte- und Verschleißoberflächenmikroskopiedaten verwendet. Software zum Entwerfen von Experimenten und Durchführen statistischer Analysen verwendet die Response Surface Methodology (RSM). Der Begriff „RSM“ bezieht sich auf eine Gruppe statistischer und mathematischer Ansätze zur Modellierung und Analyse von Problemen, bei denen das Ziel darin besteht, eine Reaktion zu maximieren, die von einer Reihe von Variablen beeinflusst wird. Daher gilt es als hervorragende Methode zur Bewertung industrieller Schwierigkeiten. Es gibt drei Modelle für Abbott Firestone-Zonen (hohe Spitzen, Hohlräume und Ausbeutung). Die Korrelation zwischen Antwort- und Eingabevariablen in RSM lässt sich wie folgt formulieren:

Dabei ist f die Reaktionsfunktion, A die Härte, B die Geschwindigkeit und Y die gewünschte Reaktion.

Die Wissenschaftler verwendeten einen polynomialen Versuchsplan vom Typ Pn, wobei „n“ die Anzahl der Variablen (Härte und Geschwindigkeiten des Verschleißtests) und „P“ die Anzahl der Stufen (− 1, 0, +1) bezeichnet. Vor diesem Hintergrund müssen für jede Bedingung mindestens 32 = 9 Probeversuche durchgeführt werden. In dieser Untersuchung wurde das Experimental Central Composite Design (CCD) verwendet, und es gab 13 Durchläufe mit drei Ebenen und zwei Variablen (Tabelle 1). Ein Wert von 0 bezeichnet den Durchschnittswert, ein Wert von +1 ist die maximale Grenze und ein Wert von −1 ist die minimale Grenze der Parameter. Mit der folgenden Formel kann die Polynomregressionsgleichung zweiter Ordnung erstellt werden, die zum Aufbau eines mathematischen Modells verwendet wurde und über zwei Parameter verfügt.

Dabei ist b0 der Antwortdurchschnitt, b1, b2……b7 Antwortkoeffizienten, A die Härte, B die Geschwindigkeit und R die Schätzung.

Abbildung 2 zeigt die Varianz der Härte für verschiedene Bedingungen (geglüht, kaltverformt, luftgekühlt und sowohl luftgekühlt als auch gealtert). Die Härte stieg von 353 HV20 (geglühte Proben) auf 385 HV20 (verformte Proben). Dies deutet darauf hin, dass die Kaltverfestigung sowie die Verstärkungsmechanismen zu einer Härtesteigerung von etwa 9 % führen, wenn 15 % der Kaltverformung angewendet werden. Im Vergleich zu den kaltverformten Proben sank die Härte nach Lösungsbehandlung der Proben auf 366 HV20. Bei luftgekühlten und gealterten (AC+Aging) Proben stieg die Härte jedoch wieder auf 425 HV20 an.

Härte geglüht, kaltverformt, luftgekühlt und sowohl luftgekühlt als auch gealtert.

Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen Verschleißrate und Gleitgeschwindigkeit, die bei verschiedenen TC21-Ti-Legierungszuständen (geglüht, kaltverformt, AC und AC+Alterung) zwischen 1, 1,5 und 2 m/s liegt. Unter allen Bedingungen nahm die Verschleißrate zu, wenn die Gleitgeschwindigkeit zunahm. Die verformten Proben weisen im Vergleich zu geglühten Proben die geringste Verschleißrate auf. Dies liegt an seinem hohen Härtewert von 385 HV20 im Vergleich zu geglühten Proben (353 HV20). Die Anwendung einer Verformung von 15 % auf die geglühten Proben spielt eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der Härte der verformten Proben und der anschließenden Verbesserung der Verschleißeigenschaften. Daher ist die Anwendung einer Verformung von 15 % auf geglühte Proben von entscheidender Bedeutung für die Erhöhung der Härte der verformten Proben und damit für die Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit. Die geringste Verschleißrate wurde bei gekühlten und gealterten Proben aufgrund ihrer hohen Härte von 425 HV20 verzeichnet. Durch die Anwendung des Alterungsprozesses wird bei luftgekühlten Proben eine Verbesserung von ca. 38 % (bei 1,5 m/s) erzielt. Daraus kann geschlossen werden, dass der Alterungsprozess nach der Lösungsbehandlung (AC+Aging) die Verschleißeigenschaften der Ti-Legierung TC21 erheblich verbessern kann. Dies bedeutet eine Steigerung von bis zu 98 % im Vergleich zwischen luftgekühlten und geglühten Proben. Die Härte- und Verschleißeigenschaften der untersuchten TC21-Ti-Legierung weisen gemäß der Archard-Theorie einen starken Zusammenhang miteinander auf. Diese Ergebnisse stimmten mit den Ergebnissen von Ibrahim et al.8 überein.

Verschleißrate bei geglühtem, kaltverformtem, luftgekühltem und sowohl luftgekühltem als auch gealtertem Material.

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die abgenutzten Oberflächen einiger ausgewählter Verschleißproben, die bei einer angelegten konstanten Last von 50 N für 5 Minuten und unterschiedlichen Geschwindigkeiten (1, 1,5 und 2 m/s) unter verschiedenen Bedingungen (geglüht, kaltverformt, Luft) getestet wurden -gekühlt und sowohl luftgekühlt als auch gealtert). Bei den meisten untersuchten Proben finden sich Anzeichen einer plastischen Verformung an den verschlissenen Oberflächen. Insbesondere bei einer geringen Gleitgeschwindigkeit von 1 m/s sind über den Verschleißspuren auch durchgehende Gleitspuren mit plastisch verformten Kratzern oder Rillen zu erkennen. Die verschlissenen Oberflächen führten bei hoher Gleitgeschwindigkeit (2 m/s) zu einer starken plastischen Verformung oder Pflügen.

Abgenutzte Oberflächen von (a) geglühten und (b) kaltverformten Proben.

Abgenutzte Oberflächen von (a) luftgekühlten und (b) luftgekühlten und gealterten Proben.

Abbildung 4a zeigt eine getemperte, verschlissene Oberfläche bei einer angelegten konstanten Last von 50 N für 5 Minuten. und unterschiedliche Geschwindigkeiten (1, 1,5 und 2 m/s). Bei 1 m/s weist die abgenutzte Oberfläche Kunststofflinien, tiefe Kratzer und Laminierungsschichten auf. Bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit auf 1,5 m/s führt die verschlissene Oberfläche hingegen nur zu dichteren Delaminationsschichten. Bei 2 m/s hingegen entstehen auf der verschlissenen Oberfläche tiefe Furchenschichten mit tieferen Kratzern. Abbildung 4b zeigt die kaltverformte, verschlissene Oberfläche bei der angelegten konstanten Last von 50 N für 5 Minuten bei verschiedenen Geschwindigkeiten (1, 1,5 und 2 m/s). Bei 1 m/s weist die verschlissene Oberfläche mehr tiefe, lange und breite Delaminationsschichten auf. Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit auf 1,5 m/s entstehen auf der verschlissenen Oberfläche durch den Reißeffekt fragmentierte Delaminationsschichten. Andererseits zeigt die verschlissene Oberfläche bei 2 m/s Lochfraß und Delaminationsschichten.

Abbildung 5a zeigt die luftgekühlte (AC) verschlissene Oberfläche bei der angelegten konstanten Last von 50 N für 5 Minuten bei verschiedenen Geschwindigkeiten (1, 1,5 und 2 m/s). Bei 1 m/s weist die verschlissene Oberfläche kontinuierliche Pflug- und Delaminierungsschichten auf. Darüber hinaus zeigte es eine glatte, flache, abgenutzte Oberfläche mit wenigen kleinen Kratzern. Bei einer Geschwindigkeitserhöhung auf 1,5 m/s entstehen auf der verschlissenen Oberfläche durch den Reißeffekt poröse Delaminationsschichten. Andererseits kommt es bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s zu diskontinuierlichen Delaminierungsschichten entlang einer Rille auf der verschlissenen Oberfläche. Abb. 5b zeigt jedoch die luftgekühlte und gealterte (AC+Aging) verschlissene Oberfläche. Bei 1 m/s zeigt die abgenutzte Oberfläche kontinuierliches und diskontinuierliches Pflügen. Mit zunehmender Geschwindigkeit auf 1,5 m/s kommt es aufgrund des Reißeffekts zu einem Delaminations-Verschleißmechanismus der verschlissenen Oberfläche. Andererseits zeigt sich bei 2 m/s die abgenutzte Oberfläche durch tiefes Pflügen.

Die Abbildungen 6, 7, 8 und 9 zeigen die Oberflächenrauheit der abgenutzten Proben für verschiedene metallurgische Bedingungen (geglüht, kaltverformt, luftgekühlt und sowohl luftgekühlt als auch gealtert). Diese Abbildungen veranschaulichen die unterschiedlichen Oberflächenrauheitsprofile. Das Profil der Oberfläche wurde an den abgenutzten Oberflächen bewertet. Dies sind einige der Parameter für die Beurteilung der Oberflächenqualität nach dem Verschleiß. Es ist klar, dass das durchschnittliche Oberflächenrauheitsprofil in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit und den Materialbedingungen steht. Die durchschnittliche Oberflächenrauheit nimmt mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit für alle Bedingungen zu, mit Ausnahme der AC+Aging-Bedingung, bei der die durchschnittliche Oberflächenrauheit mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit abnimmt. Allerdings können diese Profile die Oberflächenbeschaffenheit im Detail nicht quantitativ beurteilen. Daher war es wichtig, leistungsstarke und einfache Techniken wie die Abbott-Firestone-Technik anzuwenden, um die Oberflächenrauheitsprofile aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten und Materialbedingungen quantitativ zu erkennen.

Oberflächenrauheitsprofil von geglühten Proben.

Oberflächenrauheitsprofil kaltverformter Proben.

Oberflächenrauheitsprofil luftgekühlter Proben.

Oberflächenrauheitsprofil luftgekühlter und gealterter Proben.

Die Abbildungen 10 und 11 zeigen die Abbott-Firestone-Kurven für verschiedene Probenbedingungen (geglüht, kaltverformt, luftgekühlt und sowohl luftgekühlt als auch gealtert). Die meisten Kurven lassen sich in drei Zonen unterteilen. Zone I wird als hoher Gipfel bezeichnet, wobei diese Zone unter den meisten Bedingungen mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit ungefähr zunimmt. Zone II wird als Ausbeutungszone bezeichnet, wobei diese Zone mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit ungefähr abnimmt. Schließlich wird Zone III als Hohlraumzone bezeichnet. Eine weitere Kurve könnte in zwei Zonen unterteilt werden, eine Hochgipfelzone und eine Ausbeutungszone, in der die Hohlraumzone verschwand. Weitere Einzelheiten zu den drei Zonenwerten (hoher Spitzenwert, Ausbeutung und Hohlräume) für geglühte, kaltverformte, luftgekühlte und sowohl luftgekühlte als auch gealterte Zonen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Abbott Firestone-Kurven von geglühten und kaltverformten Zuständen.

Abbott Firestone-Kurven der AC- und AC+Alterungsbedingungen.

Die Abbildungen 12 und 13 zeigen qualitativ unterschiedliche Spitzen der abgenutzten Oberfläche für alle Bedingungen. Alle Abbildungen verdeutlichen das Vorhandensein von Laminierung (niedrige Spitzen), Kunststofflinien (Pflüge) und heißen Spitzen aufgrund von Materialfehlern.

Unterschiedliche Spitzen der verschlissenen Oberfläche im geglühten und kaltverformten Zustand.

Unterschiedliche Abnutzungsspitzen der Oberfläche für Wechselstrom- und Wechselstrom+Alterungsbedingungen.

Die Abbildungen 14 und 15 verdeutlichen die unterschiedlichen Steigungen und Abschnitte der Ti-Legierung TC21 für die verschiedenen Bedingungen. Es vereinfacht das Vorliegen von Materialfehlern nach jeder Messung zur arithmetischen Bestimmung der Oberflächenrauheit.

Rosenparzelle mit Hanglage für alle Bedingungen.

Rose-Abschnittsgrundstück für alle Bedingungen.

Abbildung 16 erläutert die mittlere Oberflächenrauheit, die von der MATLAB-Software abgeleitet wurde, um die tatsächliche Oberflächenrauheit von Gwyddion zu simulieren. Es ist klar, dass unterschiedliche Formen der durchschnittlichen Oberflächenrauheit gut mit unterschiedlichen Profilen übereinstimmen, wie in den Abbildungen gezeigt. 6, 7, 8 und 9. Sie bestehen aus hohen Spitzen, niedrigen Spitzen und durchschnittlichen Spitzen, jedoch in qualitativer Weise.

Oberflächenrauheitsprofil für die untersuchten Proben bei verschiedenen Bedingungen.

Um das Verhalten der verschlissenen Oberfläche zu verstehen und den Schlüsselparameter (Härte oder Geschwindigkeit) zu bestimmen, war es notwendig, ein mathematisches Modell zu erstellen, das die Verschleißrate in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und den Materialbedingungen (Härte) quantitativ simuliert. Es ist absolut wichtig, beide Parameter (Härte- und Verschleißgeschwindigkeitstest) an Abbott Firestone-Zonen zu untersuchen und ein mathematisches Modell zu erstellen, das Abbott Firestone-Zonen in Bezug auf Härte und Geschwindigkeit ausdrückt. CCD wurde verwendet, um härte- und geschwindigkeitsbezogene Abbott Firestone-Zonen darzustellen. Die Tabellen 3 und 4 zeigen verschiedene Grenzwerte für die Parameter Härte und Geschwindigkeit zusammen mit den zugehörigen Abbott-Firestone-Zonen (hohe Spitzen, die Reaktion 1 darstellen, Ausbeutung, die Reaktion 2 darstellt, und Hohlräume, die Reaktion 3 darstellen).

In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen von Härte und Geschwindigkeit auf die Abbott Firestone-Zonen der Ti-Legierung TC21 untersucht, die abgenutzte Oberflächen darstellen. Die Untersuchung und Konstruktion der Abbott Firestone-Modelle erfolgte mittels RSM. Nach mehreren Versuchen mit der Design-Expert-Software wurden auf der Grundlage der statistischen Auswertung mehrerer Modelle lineare und 2FI-Modelle vorgeschlagen, wie in den Tabellen 4, 5 und 6 dargestellt. Das modifizierte lineare Modell ist das beste für hohe Gipfel und Ausbeutungszonen . Allerdings 2FI-Modell für die Hohlraumzone, was zu einem erhöhten angepassten Korrelationsfaktor führt. Die Software stellte außerdem fest, dass das kubische Modell für die erhaltenen Datenbereiche verfälscht wurde. Die R-Quadrat-Werte der Zonen mit hohen Spitzen, der Ausbeutung und der Hohlräume betragen 0,7190, 0,8373 bzw. 0,3853. Die angepassten R-Quadrat-Werte betragen jedoch 0,6628, 0,8048 bzw. 0,1804.

Das als ANOVA bekannte statistische Designtool ermöglicht die Differenzierung der einzelnen Auswirkungen der kontrollierten Variablen. Die Ermittlung statistisch signifikanter Kontrollfaktoren erfolgt typischerweise anhand experimenteller Daten. Mithilfe der DOE-Software und einer Response-Surface-Technik wurden die Auswirkungen von Härte (H) und Geschwindigkeit (V) auf Zonen mit hohen Spitzen, Ausbeutung und Hohlräumen statistisch untersucht. Basierend auf diesen Effekten wurden dann empirische Abbott-Firestone-Zonenmodelle entwickelt. Der sequentielle F-Test wurde verwendet, um die Signifikanz des Regressionsmodells zu bewerten. Die von ANOVA generierten Modelle der Abbott-Firestone-Zonen sind in den Tabellen 7, 8 und 9 dargestellt. Die F-Werte des Modells von 53,71, 162,40 und 3298,27 für Hochgipfel-, Ausbeutungs- und Hohlraumzonen belegen seine Bedeutung. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass ein signifikanter F-Wert durch Rauschen verursacht wird; welche Wahrscheinlichkeit nur 0,01 % beträgt. Der vorhergesagte R2-Wert von 0,5682 für hohe Peaks liegt bei weitem nicht annähernd dem angepassten R2-Wert von 0,9634, bei dem die Differenz größer als 0,2 ist, wie man normalerweise erwarten würde. Allerdings liegen die Ausbeutungs- und Hohlraumzonen bei 0,8537 bzw. 0,9748, was möglichst nahe an den angepassten R2-Werten von 0,9878 und 0,9995 liegt; wobei die Differenz kleiner als 0,2 ist. Dies kann ein Zeichen für einen erheblichen Blockeffekt oder ein potenzielles Problem mit unserem Modell und/oder unseren Daten sein. Adeq-Präzisionswerte für Hochspitzen-, Ausbeutungs- und Hohlraumzonen von 28,4762, 49,0535 und 199,0782. Am besten geben Sie an, dass das Modell den Entwurfsraum erkunden kann, indem Sie ein Verhältnis von mehr als 4 verwenden. Die „P > F“-Werte der Modelle liegen unter 0,05, was darauf hinweist, dass sie signifikant sind (hohe Spitzen, Ausbeutung und Hohlraumzonen). . Dies ist von Vorteil, da es zeigt, wie stark sich die Parameter des Modells auf die Reaktion auswirken (hohe Spitzen, Ausbeutung und Lückenzonen). A, B, AB, A2, B2 und A2B sind unter anderem wichtige Begriffe im Modell. Liegt der Wert über 0,1, sind die Modellterme nicht signifikant. Durch die Eliminierung der weniger wichtigen Modellterme könnte das Modell verbessert werden. Abschließende empirische Gleichungen. (3), (4) und (5) können hohe Spitzen-, Ausbeutungs- und Hohlraumzonen im Parameterbereich identifizieren, der anhand der tatsächlichen Faktoren, der Härte (H), der Geschwindigkeit (V) und ihrer Multiplikationsprodukte bewertet wird.

Um das Verhalten der Abbott-Firestone-Zonen genau zu verfolgen, ist die Erstellung einer 3D-Oberflächen- und Konturkarte mithilfe empirischer Gleichungen erforderlich. Abbildung 17 zeigt das 3D-Oberflächendiagramm der Abbott Firestone-Zonen (hohe Spitzen, Ausbeutung und Hohlräume). Der zusätzliche Vorteil von 3D-Visualisierungen besteht darin, dass beobachtet werden kann, wie sich die Auswirkung eines Parameters ändert, wenn sich der Wert eines anderen Parameters ändert. Betrachtet man beispielsweise den Einfluss von Härte (H) und Geschwindigkeit (V), so wird deutlich, dass der Geschwindigkeitseffekt in Hochspitzen- (Abb. 17a) und Ausbeutungszonen (Abb. 17b) stärker war. Allerdings waren sowohl der Härte- als auch der Geschwindigkeitseffekt in der Hohlraumzone stärker (Abb. 17c). Um die unterschiedlichen Werte der Abbott-Firestone-Zonen vorherzusagen, ist es sehr nützlich, eine Konturkarte zu erstellen, wie in Abb. 18 dargestellt. Bei zunehmender Härte und Geschwindigkeit nehmen die hohen Spitzen allmählich zu (Abb. 18a), während bei abnehmender Härte und Geschwindigkeit ein Anstieg zu verzeichnen ist in der Ausbeutungszone (Abb. 18b). Bei mittlerer Härte führt eine zunehmende Geschwindigkeit zu einer allmählichen Vergrößerung der Hohlraumzone (Abb. 18c). Bei niedriger Geschwindigkeit erhöht eine zunehmende Härte leicht die hohen Spitzen, wodurch ein positiver Wendepunkt beim mittleren Härtewert entsteht. Bei hoher Geschwindigkeit und geringer Härte kommt es zu einem doppelten Anstieg der hohen Spitzen, während eine zunehmende Härte bei hoher Geschwindigkeit zu einer leichten Abnahme der hohen Spitzen führt (negatives Kippen). Es ist erwähnenswert, dass eine Erhöhung sowohl der Geschwindigkeit als auch der Härte zu einem dramatischen Anstieg hoher Spitzen führt. Darüber hinaus ist die Ausbeutungszone nahezu konstant. Die Tiefe der Hohlräume ist sowohl bei niedrigem Kabelbaum als auch bei geringer Geschwindigkeit sehr gering. Während es bei mittlerer Härte bei niedriger Geschwindigkeit zu einem Kippen kommt und umgekehrt. Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit bei hoher Härte ergibt sich eine starke positive Verkippung und umgekehrt. Durch die Erhöhung sowohl der Härte als auch der Geschwindigkeit kommt es jedoch plötzlich zu einer dramatischen Abnahme. Abbildung 19 zeigt die Beziehung zwischen tatsächlichen und vorhergesagten Abbott Firestone-Zonen, hohen Spitzen (Abb. 19a), Ausbeutung (Abb. 19b) und Hohlräumen (Abb. 19c).

3D-Oberflächendiagramm der Abbott Firestone-Zonen (a) hohe Spitzen, (b) Ausbeutung und (c) Hohlräume.

Konturdiagramm der Abbott Firestone-Zonen (a) hohe Gipfel, (b) Ausbeutung und (c) Hohlräume.

Beziehung zwischen tatsächlichen und vorhergesagten Abbott Firestone-Zonen (a) hohen Spitzen, (b) Ausbeutung und (c) Hohlräumen.

Diese Studie untersuchte die abgenutzte Oberflächentopographie und die mathematische Modellierung einer Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr-Legierung mittels RSM. Aus den Ergebnissen der Experimente und Modellierungen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Für AC+Alterungsproben wurde eine maximale Härte von 425 HV20 erreicht, während für geglühte Proben eine Mindesthärte von 353 HV20 angegeben wurde.

Aufgrund der hohen Härte der AC+Aging-Probe zeigte diese die geringste Verschleißrate, während die geglühte Probe die höchste Verschleißrate aufwies. Der Alterungsprozess nach der Lösungsbehandlung erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich und erreicht 98 % im Vergleich zu geglühten Proben.

Die durchschnittliche Oberflächenrauheit (Ra) nimmt mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit für alle Bedingungen zu, mit Ausnahme des AC+Aging-Zustands, bei dem die durchschnittliche Oberflächenrauheit abnimmt, während die Gleitgeschwindigkeit zunimmt.

Modelle der Abbott Firestone-Zonen (hohe Spitzen, Ausbeutung und Hohlräume) prognostizieren das Verschleißverhalten verschlissener Oberflächen genau.

Bei niedriger Gleitgeschwindigkeit und Härte bietet das Material die höchste Ausnutzungszone (86 %). Bei hoher Geschwindigkeit und Härte ergibt das Material die niedrigste Ausbeutungszone (70 %).

Die erwarteten Ergebnisse stimmen weitgehend mit den experimentellen Ergebnissen überein, was darauf hindeutet, dass die entwickelten Modelle erfolgreich zur Vorhersage der Abbott-Firestone-Zonen eingesetzt werden können.

Das RSM-Modell wurde verwendet, um den besten Härte- und Verschleißgeschwindigkeitstest zu ermitteln, um die Zonen mit der höchsten Ausbeutung zu erreichen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Elshaer, RN & Ibrahim, KM Einfluss von Kaltverformung und Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der TC21-Ti-Legierung. Trans. Nichtferr. Getroffen. Soc. China 30, 1290–1299 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Ahmed, FS, El-Zomor, MA, Ghazala, MSA & Elshaer, RN Einfluss von durch thermische Oxidation gebildeten Oxidschichten auf mechanische Eigenschaften und NaCl-induziertes Heißkorrosionsverhalten der TC21-Ti-Legierung. Wissenschaft. Rep. 12, 19265 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

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Tabbin Institute for Metallurgical Studies, Kairo, Ägypten

Ramadan N. Elsher

Zentrales metallurgisches Forschungs- und Entwicklungsinstitut, Kairo, Ägypten

Khaled M. Ibrahim und Ahmed Ismail Zaky Farahat

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Konzeptualisierung, RNE, KMI und AIZF; Methodik, RNE, KMI und AIZF; Validierung, RNE, KMI und AIZF; formale Analyse, RNE, KMI und AIZF; Untersuchung, RNE, KMI und AIZF; Ressourcen, RNE und KMI; Datenkuration, RNE, KMI und AIZF; schriftliche Originalentwurfsvorbereitung, RNE und AIZF; Schreiben-Rezension und Bearbeitung, RNE, KMI und AIZF; Visualisierung, RNE, KMI und AIZF; Aufsicht, RNE, KMI und AIZF Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Korrespondenz mit Ramadan N. Elshaer.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elshaer, RN, Ibrahim, KM & Farahat, AIZ Abgenutzte Oberflächentopographie und mathematische Modellierung der Legierung 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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Eingegangen: 12. Februar 2023

Angenommen: 25. Mai 2023

Veröffentlicht: 01. Juni 2023

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

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