Topographie des surfaces usées et modélisation mathématique du Ti

Dec 07, 2023

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

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Cette étude vise à étudier la topographie de la surface usée et la modélisation mathématique de l'alliage recuit Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1,5Cr 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 baisse de hauteur de 15% à température ambiante. Le deuxième régime consistait à traiter en solution les échantillons déformés à 920 ° C pendant 15 min, puis à les refroidir à l'air (AC) jusqu'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 réaliser une 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'éprouvette AC+Aging, tandis qu'une dureté minimale de 353 HV20 a été rapportée pour l'éprouvette recuite. L'application du processus de vieillissement après le traitement 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 d'Abbott Firestone (pics élevés, exploitation et vides) ont produit des données précises qui ont pu être estimées, ce qui a permis d'économiser du temps et des coûts. Les résultats ont montré que la rugosité de surface moyenne augmente avec l'augmentation de la vitesse de glissement pour toutes les conditions, à l'exception des conditions AC+Aging 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 vitesse et dureté élevées, le matériau offre la zone d'exploitation la plus faible (70 %). En général, les résultats prévus du modèle mathématique ont montré un accord étroit avec les résultats expérimentaux, ce qui a permis que les modèles puissent être utilisés pour prédire les zones d'Abbott Firestone de manière satisfaisante.

L'alliage de Ti 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 possède la formule chimique suivante : Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si, pour construire des composants essentiels tels que des boîtes de connexion de train d'atterrissage et des joints de voilure1,2,3. . 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 entre les caractéristiques mécaniques et physiques. Les chercheurs se sont également intéressés aux alliages de titane dotés de microstructures équiaxes en raison de leur haute résistance et de leurs caractéristiques supérieures en fatigue. Cependant, son utilisation est limitée par sa faible dureté et son faible comportement tribologique4,5,6,7. Des processus de traitement thermique après déformation peuvent être appliqués pour améliorer le comportement tribologique des alliages de titane1,8.

La courbe de rapport de matériau (courbe 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 du matériau) et les dépressions (zones dépourvues de matériau). L'un des avantages de l'utilisation de la courbe Abbott-Firestone est d'examiner des surfaces capables d'imiter les effets de l'usure et du processus de rodage. De plus, cette courbe fournit des détails sur les volumes de vides et les matériaux qui caractérisent la topographie de la surface. Récemment, cela 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 avec plus de précision que la rugosité de la 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, ce qui entraîne la création 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 de 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 change dans un avenir proche. Afin d'étudier la qualité texturale des dents d'engrenage, Sosa et al.13 ont mené des études 2D de la courbe d'Abbott Firestone. Dans un autre travail, 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 s'effacent. Puis ils ont mis en évidence les variations de la zone de pic (jusqu'à 30 %) des courbes 2D Abbott-Firestone. En comparant les courbes d'Abbott-Firestone pour les zones affectées et non affectées de la tête fémorale composée de céramiques avancées, 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 souligné l'importance de la caractérisation et des tests de surface16. Selon Bruzzone et al.17, la recherche des liens entre la topographie, la fonction et l'application de la surface 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 d'éléments de machines en acier au carbone à l'aide de la courbe Abbott Firestone.