Topografia della superficie usurata e modellazione matematica del Ti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8878 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio mira a studiare la topografia della superficie usurata e la modellazione matematica della lega ricotta Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr utilizzando la metodologia della superficie di risposta (RSM). La lega è stata sottoposta a tre diversi regimi per studiarne l'effetto sulle proprietà meccaniche. Il primo regime prevedeva l'applicazione della deformazione a freddo mediante compressione fino a un calo in altezza del 15% a temperatura ambiente. Il secondo regime prevedeva l'esecuzione della soluzione trattata sui campioni deformati a 920 °C per 15 minuti, quindi raffreddati ad aria (AC) a temperatura ambiente. Il terzo regime prevedeva l'applicazione dell'invecchiamento sul campione deformato e trattato con soluzione per 4 ore a 590 °C seguito da raffreddamento ad aria. Sono state adottate tre diverse velocità (1, 1,5 e 2 m/s) per condurre l'usura da scorrimento a secco secondo la tecnica di progettazione sperimentale (EDT). I software Gwyddion e Matlab sono stati utilizzati per rilevare analiticamente e graficamente le fotografie delle superfici usurate. Per il campione AC+Aging è stata ottenuta una durezza massima di 425 HV20, mentre per il campione ricotto è stata riportata una durezza minima di 353 HV20. L'applicazione del processo di invecchiamento dopo il trattamento con la soluzione ha migliorato considerevolmente la proprietà di usura e questo miglioramento ha raggiunto il 98% rispetto alla condizione ricotta. La relazione tra i fattori di input (durezza e velocità) e le risposte (zone Abbott Firestone) è stata dimostrata utilizzando l'analisi della varianza (ANOVA). I migliori modelli per le zone Abbott Firestone (picchi elevati, sfruttamento e vuoti) hanno prodotto dati accurati che potevano essere stimati per risparmiare tempo e costi. I risultati hanno mostrato che la rugosità superficiale media aumenta all’aumentare della velocità di scorrimento per tutte le condizioni tranne la condizione AC+Invecchiamento in cui la rugosità superficiale media diminuisce all’aumentare della velocità di scorrimento. I risultati hanno rivelato che a bassa velocità e durezza, il materiale offre la zona di sfruttamento più elevata (86%). Mentre ad alta velocità e durezza, il materiale offre la zona di sfruttamento più bassa (70%). In generale, i risultati previsti dal modello matematico hanno mostrato uno stretto accordo con i risultati sperimentali, facendo sì che i modelli potessero essere utilizzati per prevedere in modo soddisfacente le zone Abbott Firestone.

La lega di titanio TC21 ha elevata resistenza, durezza e tenacità ed è considerata un tipo rivoluzionario di leghe di titanio α+β. L'industria aerospaziale ha utilizzato con successo la lega TC21, che ha la seguente formula chimica: Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si, per costruire componenti essenziali come scatole di connessione del carrello di atterraggio e giunti del profilo alare1,2,3 . Controllando la microstruttura e la lavorabilità, a seconda dei trattamenti termomeccanici e termici, le leghe di titanio a due fasi (α/β) possono raggiungere un migliore equilibrio tra caratteristiche meccaniche e fisiche. I ricercatori erano interessati anche alle leghe di titanio con microstrutture equiassiche a causa della loro elevata resistenza e delle caratteristiche di fatica superiori. Tuttavia, il suo utilizzo è limitato dalla bassa durezza e dal debole comportamento tribologico4,5,6,7. I processi di trattamento termico post-deformazione possono essere applicati per migliorare il comportamento tribologico delle leghe di titanio1,8.

Curva del rapporto materiale (curva Abbott Firestone) è un termine per uno dei parametri utilizzati per definire la rugosità e il profilo della superficie. Questa curva mostra la relazione tra sporgenze (aree con materiale) e depressioni (aree prive di materiale). Uno dei vantaggi derivanti dall'utilizzo della curva Abbott-Firestone è quello di esaminare le superfici che possono imitare gli effetti dell'usura e del processo di rodaggio. Inoltre, questa curva fornisce dettagli sui volumi vuoti e sui materiali che caratterizzano la topografia della superficie. Recentemente, potrebbe essere utile definire e utilizzare criteri funzionali nella ricerca 3D9,10. Una caratteristica utile per valutare le qualità funzionali delle superfici e le loro applicazioni è la curva di Abbott-Firestone.

Alcuni autori hanno affermato in pubblicazioni precedenti11 che la curva di Abbott Firestone caratterizzerebbe le superfici iniziali e usurate in modo più accurato rispetto alla rugosità superficiale (Ra), un'affermazione supportata da Torrance12. I vuoti profondi possono essere alterati o meno, influenzando, ad esempio, la capacità di lubrificare delle superfici a contatto. Una tecnica tribologica può eliminare i picchi, determinando la collocazione di una texture diversa sul plateau risultante. Quando si verificano più tipi di usura contemporaneamente, la curva Abbott Firestone può essere utilizzata per valutare l'impatto dei processi sinergici, come quelli tribologici. L'esame di questa curva durante lo sfruttamento dei triboelementi può fornire informazioni sulla probabilità che la superficie possa cambiare nel prossimo futuro. Per studiare la qualità strutturale dei denti degli ingranaggi, Sosa et al.13 hanno condotto studi 2D della curva di Abbott Firestone. In un lavoro diverso, Sosa et al.14 hanno esaminato il processo di rodaggio del dente e hanno scoperto che i vuoti sembrano rimanere inalterati mentre i picchi di asperità sono consumati. Successivamente hanno evidenziato le variazioni nella zona del picco (fino al 30%) delle curve 2D Abbott-Firestone. Confrontando le curve di Abbott-Firestone per le zone affette e non affette della testa del femore composte da ceramica avanzata, Affatato et al.15 sono stati in grado di identificare la superficie usurata. Nell'esaminare il modo in cui le diverse topografie superficiali influenzano le proprietà tribologiche, Mathia e Pawlus hanno fornito esempi e sottolineato l'importanza della caratterizzazione e dei test della superficie16. Secondo Bruzzone et al.17, la ricerca delle connessioni tra topografia superficiale, funzione e applicazione è un'impresa particolarmente impegnativa che pone un'enfasi speciale sulla tribologia. Kara et al.18 hanno studiato gli effetti del trattamento criogenico superficiale e profondo sull'acciaio per utensili per lavorazione a freddo Sleipner in termini di microdurezza, microstruttura, coefficiente di attrito e tasso di usura. Elshaer et al.19 hanno studiato la struttura superficiale degli elementi di macchine in acciaio al carbonio utilizzando la curva Abbott Firestone.