Ti の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリング

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8878 (2023) この記事を引用

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この研究は、応答曲面法 (RSM) を使用して、焼きなました Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr 合金の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリングを調査することを目的としています。 機械的特性に対する影響を研究するために、合金を 3 つの異なる条件にさらしました。 最初のレジームでは、室温で高さが 15% 低下するまで圧縮による冷間変形を加えました。 2 番目の方式では、変形したサンプルに対して 920 °C で 15 分間溶体化処理を実行し、その後周囲温度まで空冷 (AC) しました。 3 番目の方法では、変形および溶体化処理した試験片を 590 °C で 4 時間時効処理し、その後空冷しました。 実験計画法 (EDT) に従って乾式滑り摩耗を行うために 3 つの異なる速度 (1、1.5、および 2 m/s) が採用されました。 Gwyddion および Matlab ソフトウェアを使用して、摩耗した表面の写真を分析的かつグラフ的に検出しました。 AC+時効試験片では最大硬度 425 HV20 が得られましたが、焼き鈍し試験片では最小硬度 353 HV20 が報告されました。 溶体化処理後に時効処理を施すことにより、摩耗特性が大幅に向上し、その向上率は焼鈍状態と比較して98%に達しました。 入力因子 (硬度と速度) と応答 (アボット ファイアストン ゾーン) の間の関係は、分散分析 (ANOVA) を使用して実証されました。 アボット ファイアストーン ゾーン (高ピーク、利用、ボイド) に最適なモデルは、時間とコストを節約するために推定できる正確なデータを生成しました。 結果は、すべり速度の増加とともに平均表面粗さが減少するAC+エージング条件を除くすべての条件で、すべり速度の増加とともに平均表面粗さが増加することを示しました。 その結果、速度と硬度が低い場合、この材料は最高の利用ゾーン (86%) を与えることが明らかになりました。 高速かつ高硬度であるにもかかわらず、この材料の利用ゾーンは最も低くなります (70%)。 一般に、数学的モデルの予測結果は実験結果とほぼ一致しており、アボット ファイアストン ゾーンを十分に予測するためにモデルを利用できることがわかりました。

TC21 Ti 合金は、高い強度、硬度、靭性を備えており、α+β チタン合金の革新的なタイプと考えられています。 航空宇宙産業は、化学式 Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si を持つ TC21 合金を利用して、着陸装置接続ボックスや翼形ジョイントなどの重要なコンポーネントを構築することに成功しています1、2、3。 。 熱機械的および熱処理に応じて微細構造と加工性を制御することにより、二相 (α/β) チタン合金は機械的特性と物理的特性のより良いバランスを実現できます。 研究者らは、高強度と優れた疲労特性のため、等軸微細構造を有するチタン合金にも興味を持っていました。 ただし、硬度が低く、摩擦挙動が弱いため、その使用には制限があります4、5、6、7。 変形後の熱処理プロセスは、チタン合金のトライボロジー挙動を強化するために適用できます1、8。

材料比曲線（アボット・ファイアストン曲線）は、表面粗さとプロファイルを定義するために使用される指標の 1 つを表す用語です。 この曲線は、凸部 (材料のある領域) と凹み (材料のない領域) の関係を示しています。 アボット-ファイアストン曲線を使用する利点の 1 つは、摩耗とならしプロセスの影響を模倣できる表面を検査できることです。 さらに、この曲線は、表面トポグラフィーを特徴付ける空隙量と材料に関する詳細を提供します。 最近では、3D 研究における機能基準の定義と採用に役立つ可能性があります9,10。 表面の機能的品質とその用途を評価するのに役立つ特性は、アボット-ファイアストン曲線です。

一部の著者は以前の出版物 11 で、アボット ファイアストン曲線は表面粗さ (Ra) よりも初期表面と磨耗表面をより正確に特徴付けるだろうと主張しており、この主張はトーランスによって支持されています 12。 深い空隙は変化する場合と変化しない場合があり、たとえば接触する表面の潤滑能力に影響を与えます。 トライボロジー技術によりピークが除去され、結果として得られるプラトーに異なるテクスチャが配置される場合があります。 複数の種類の摩耗が同時に発生している場合、アボット ファイアストン曲線を使用して、摩擦プロセスなどの相乗プロセスの影響を評価できます。 摩擦要素の活用中にこの曲線を調べると、近い将来に表面が変化する可能性についての洞察が得られる可能性があります。 歯車の歯の質感の品質を調査するために、Sosa ら 13 は、アボット ファイアストン曲線の 2D 研究を実施しました。 別の研究で、Sosa et al.14 は歯のなじみ過程を調査し、凹凸の頂点が摩耗する一方で、空隙は変化せずに残っ​​ているように見えることを発見しました。 次に、2D アボット-ファイアストン曲線のピーク ゾーンの変動 (最大 30%) を強調しました。 Affatato et al.15 は、高度なセラミックで構成された大腿骨頭の影響を受けているゾーンと影響を受けていないゾーンのアボット・ファイアストン曲線を対比することにより、摩耗した表面を特定することができました。 Mathia と Pawlus は、さまざまな表面トポグラフィーがトライボロジー特性にどのような影響を与えるかを調べる際に例を示し、表面の特性評価とテストの重要性を強調しました 16。 Bruzzone et al.17 によると、表面トポグラフィー、機能、および用途の間の関連性を研究することは、トライボロジーに特に重点を置く特に困難な取り組みです。 Kara et al.18 は、Sleipner 冷間加工工具鋼に対する浅い極低温処理と深い極低温処理の影響を、微小硬度、微小構造、摩擦係数、摩耗率の観点から調査しました。 Elshaer ら 19 は、Abbott Firestone 曲線を使用して炭素鋼機械要素の表面組織を調査しました。

現在では、時間と費用がかかる一度に 1 要素ずつの実験手法の代わりに、応答曲面法 (RSM)、タグチ、要因計画法 (FD) などの実験計画法 (DOE) 手法が頻繁に使用されています。 。 RSM はモデリング技術を使用して、実験の入力変数と出力変数の間の関係を確立します。 この方法はエンジニアリング問題で人気があり、入力要素が出力コンポーネントの特定のパフォーマンスに影響を与える問題の特性評価に頻繁に使用されています。 他の最適化手法と比較すると、RSM は潜在的な要因の相互作用の定量的な測定を提供します。 RSM は、複数変数の応答を扱う場合に適用する最適な戦略です。 この方法により、モデルに応答するために必要な試行回数が大幅に削減されます。 プロセス特性を強化するための RSM の使用は、著者らによって調査されました 20、21、22、23。 特に、材料の品質を評価する場合は、さまざまなプロセス変数の影響に基づいて応答出力を予測できる数学的モデルが必要になります。 機械的および摩擦学的特性は、DOE、回帰分析、分散分析 (ANOVA) を使用して予測できます 20、21、24、25。

Chauhan 氏と Dass26 氏は、RSM を使用して、荷重、速度、滑り距離がチタン合金 (グレード 5) の耐摩耗性にどのような影響を与えるかを調査しました。 彼らは、一般的に適用される荷重と速度が増加すると摩耗率が増加し、滑り距離が増加して速度が低下すると摩耗率が減少することに気づきました。 彼らは、測定値と予測値が互いに十分に近いという結論に達し、提案された二次モデルがチタン合金の特定の摩耗率を 95% の信頼水準で予測するために効果的に使用できることを示しています。 Elshaer ら 20 は、RSM を使用して、圧力と速度が低炭素鋼のアボット ファイアストン ゾーンと摩耗挙動にどのような影響を与えるかを評価しました。 13Cr5Ni2Mo 鋼の摩耗挙動と摩擦係数に対する荷重 (P) と線形滑り速度 (V) の影響は、Meddah et al.27 によって調査されました。 Ti合金の表面粗さに関する研究は不足しています。 したがって、この研究は、Gwyddion および Matlab ソフトウェアを使用した TC21 Ti 合金の摩耗試験後の摩耗表面トポグラフィーを調査することを目的としています。 さらに、RSM を使用して、摩耗試験中の硬度と滑り速度の関数としてアボット ファイアストーン ゾーン (高いピーク、エクスプロイション、ボイド) を予測するためのモデルを作成します。

今回の作業では、直径 7 mm、長さ 140 mm の焼きなました TC21 Ti 合金棒を使用しました。 変態温度、β トランザス温度 (Tβ) は、約 955 °C と以前に決定されていました28。 調査中の合金は次の化学組成を持っています。 Ti-6.5Al-3Mo-1.9Nb-2.2Sn-2.2Zr-1.5Cr-0.09Si (重量%)。 機械的特性への影響を研究するために、合金を 3 つの異なるレジームにさらしました。 アニーリング後の最初のレジームは、万能試験機およびストロークひずみ速度 0.01 s-1 を使用して、周囲温度で高さが 15% 低下するまで冷間圧縮しました。 冷間圧縮試験のために、試験片は直径 7 mm、長さ 11.5 mm の寸法で準備されました。 第 2 の領域では冷間変形を行い、その後 920 °C で 15 分間溶体化処理し、その後周囲温度まで空冷 (AC) しました。 冷間変形および溶体化処理後の 3 番目の領域では、590 °C で 4 時間時効し、その後空冷しました。 この作品では 3 つの異なるリジムが使用されています (図 1)。

3 つの異なる体制のサイクル。

ビッカース硬度の測定は、ASTM E92-16 規格に従って、20 kg の力の荷重を 15 秒間の滞留時間を使用して実行されました。 5 回測定し、平均値を報告しました。 ASTM G99-17 規格に従って、摩耗試験は、周囲温度で乾燥状態でピンオンリング摩擦計試験装置を使用して実施されました。 着用実験を 3 回繰り返し、平均値をとりました。 スピニング硬化ステンレス鋼リング（摩耗工具）の外径は７３ｍｍ、表面硬度は６３ＨＲＣであった。 摩耗試験片は、直径 7.9 mm、長さ 10 mm の円筒形でした。 リング表面は、各試験の前に、グリットサイズ 1000 のさまざまなヤメシートを使用して研磨しました。50 N の定常荷重を 5 分間加え、さまざまな線形滑り速度 1、1.5、および 2 m/s を使用しました。 摩耗試験の前に、0.1 mg 精度の電子秤を使用してサンプルの重量を測定しました。 FESEM は、摩耗試験試験片の摩耗表面を検査するために使用されました。 Gwyddion および Matlab ソフトウェアを使用して、磨耗した表面の写真を分析的およびグラフィック的に処理しました。 表面粗さとアボット ファイアストン曲線も、統計分析と Excel ソフトウェアを使用して作成されました。

Design Expert-V13 は、硬度と摩耗表面の顕微鏡データを評価するために使用されました。 実験を設計し、統計解析を実行するためのソフトウェアは、応答曲面法 (RSM) を使用します。 「RSM」という用語は、多くの変数の影響を受ける応答を最大化することを目的とした、問題のモデル化と分析のための統計的および数学的アプローチのグループを指します。 したがって、産業上の困難を評価するための優れた方法と考えられています。 アボット ファイアストーン ゾーンには 3 つのモデルがあります (高峰、ボイド、エクスプロイテーション)。 RSM の応答変数と入力変数の間の相関関係は、次のように定式化できます。

ここで、f は応答関数、A は硬度、B は速度、Y は目的の応答です。

科学者らは、タイプ Pn の実験の多項式計画を使用しました。ここで、「n」は変数の数 (硬度と摩耗テストの速度) を示し、「P」はレベルの数 (- 1、0、+1) を示します。 これを考慮すると、各条件について最低 32 = 9 回の試行テストを実行する必要があります。 この調査では実験中央複合設計 (CCD) が使用され、3 レベルと 2 つの変数で 13 回の実行が行われました (表 1)。 値 0 はパラメータの平均値、値 +1 は上限値、値 - 1 は下限値を示します。 次の式を使用して 2 次多項式回帰方程式を構築できます。これは数学モデルの構築に使用され、2 つのパラメーターがあります。

ここで、b0 は応答平均、b1、b2……b7 は応答係数、A は硬度、B は速度、R は推定値です。

図 2 は、さまざまな条件 (焼きなまし、冷間変形、空冷、および空冷と時効の両方) での硬さの変化を示しています。 硬度は 353 HV20 (焼き鈍し試験片) から 385 HV20 (変形試験片) に増加しました。 これは、歪み硬化と強化メカニズムにより、15% の冷間変形を加えた結果、硬度が約 9% 増加することを示しています。 冷間変形させた試験片と比較して、溶体化処理後の試験片の硬度は 366 HV20 まで低下しました。 ただし、空冷および時効処理 (AC+時効処理) の試験片では、硬度は再び 425 HV20 に増加しました。

焼鈍、冷間変形、空冷、空冷と時効の両方の硬さ。

図 3 は、さまざまな TC21 Ti 合金条件 (焼きなまし、冷間変形、AC、および AC+時効) での摩耗率と滑り速度の関係を 1、1.5、2 m/s の範囲で示しています。 いずれの条件においても、滑り速度が上昇するにつれて摩耗率も増加した。 変形した試験片は、焼きなましした試験片と比較して摩耗率が最小限です。 これは、焼きなました試験片 (353 HV20) と比較して、硬度値が 385 HV20 と高いためです。 焼鈍した試験片に 15% の変形を加えると、変形した試験片の硬度が増加し、摩耗特性が向上するという重要な役割を果たします。 したがって、焼鈍した試験片に 15% の変形を適用することは、変形した試験片の硬度を高め、耐摩耗性を向上させるために非常に重要です。 冷却され時効処理された試験片は硬度が 425 HV20 であるため、摩耗率が最も低かったことが記録されました。 時効プロセスを適用することにより、空冷試験片は約 38% (1.5 m/s の場合) の改善が見られます。 したがって、溶体化処理後の時効処理 (AC+時効) により、TC21 Ti 合金の摩耗特性が大幅に改善されると結論付けることができます。 これは、空冷試験片とアニール試験片を比較した場合、最大 98% 増加することを意味します。 研究された TC21 Ti 合金の硬度と摩耗特性は、Archard 理論に従って、相互に強い関連性を示しています。 これらの結果は、Ibrahim et al.8 の結果と一致しました。

焼鈍、冷間変形、空冷、および空冷と時効の両方の摩耗率。

図 4 および 5 は、さまざまな条件 (焼きなまし、冷間変形、空気) で 50 N の一定荷重を 5 分間加え、異なる速度 (1、1.5、および 2 m/s) で試験したいくつかの選択された摩耗試験片の摩耗表面を示しています。 -冷却、空冷およびエージングの両方）。 検査したほとんどの試験片では、摩耗した表面に塑性変形の兆候が見られます。 特に 1 m/s の低い滑り速度では、塑性的に歪んだ傷や溝を伴う連続的な滑り跡も摩耗痕跡上で検出されることがあります。 高い滑り速度 (2 m/s) での摩耗表面には、高度な塑性変形またはプラウニングが発生しました。

(a) 焼きなました試験片と (b) 冷間変形させた試験片の摩耗表面。

(a) 空冷した試験片と (b) 空冷してエージングした試験片の摩耗表面。

図 4a は、50 N の一定荷重を 5 分間加えたときの焼きなまし後の摩耗表面を示しています。 異なる速度 (1、1.5、2 m/s)。 1 m/s では、摩耗した表面にプラスチックの線、深い傷、積層層が現れます。 一方、速度を 1.5 m/s に増加すると、磨耗した表面にはより緻密な剥離層が生成されるだけになります。 一方、2 m/s では、摩耗した表面には、より深い傷を持つ深いガウジング層が得られます。 図 4b は、異なる速度 (1、1.5、および 2 m/s) で 50 N の一定荷重を 5 分間加えた冷間変形摩耗表面を示しています。 1m/s では、磨耗した表面には、より多くの、深く、長く、広い層間剥離層が現れます。 速度を 1.5 m/s に上げると、引き裂き効果により摩耗した表面に断片化した剥離層が生成されます。 一方、2 m/s では、摩耗した表面に孔食と剥離層が見られます。

図 5a は、異なる速度 (1、1.5、および 2 m/s) で 50 N の一定荷重を 5 分間加えた空冷 (AC) 摩耗表面を示しています。 1 m/s では、磨耗した表面には連続的な耕起層と層間剥離が見られます。 さらに、小さな傷がほとんどなく、滑らかで平らな摩耗表面が示されました。 一方、速度を 1.5 m/s に上げると、引き裂き効果により摩耗した表面に多孔質の剥離層が生成されます。 一方、2 m/s では、摩耗表面には溝に沿って不連続な剥離層が発生します。 ただし、図5bは空冷および時効（AC+時効）摩耗表面を示しています。 1 m/s では、摩耗した表面は連続的および不連続なプラウニングを示します。 速度が 1.5 m/s まで増加すると、引き裂き効果により摩耗表面に層間剥離摩耗メカニズムが生じます。 一方、2 m/s では、深い耕耘により摩耗した表面が現れます。

図 6、7、8、9 は、さまざまな冶金条件 (焼きなまし、冷間変形、空冷、および空冷と時効の両方) での摩耗試験片の表面粗さを示しています。 これらの図は、さまざまな表面粗さプロファイルを示しています。 表面のプロファイルは摩耗した表面で評価されました。これは摩耗後の表面品質を評価するためのパラメータの一部です。 平均表面粗さプロファイルが速度と材料の状態に直接関係していることは明らかです。 平均表面粗さは、すべり速度の増加とともに平均表面粗さが減少するAC+エージング条件を除くすべての条件ですべり速度の増加とともに増加します。 しかし、これらのプロファイルでは表面の質感を詳細に定量的に判断することはできません。 したがって、異なる速度や材料条件による表面粗さプロファイルを定量的に認識するには、アボット ファイアストーン技術などの強力でシンプルな技術を採用することが重要でした。

アニールした試験片の表面粗さプロファイル。

冷間変形試験片の表面粗さプロファイル。

空冷試験片の表面粗さプロファイル。

空冷および時効処理した試験片の表面粗さプロファイル。

図 10 および 11 は、さまざまなサンプル条件 (焼きなまし、冷間変形、空冷、および空冷と時効の両方) のアボット ファイアストン曲線を示しています。 ほとんどのカーブは 3 つのゾーンに分割できます。 ゾーン I はハイピークと呼ばれ、ほとんどの条件で滑り速度が増加すると、このゾーンはほぼ増加します。 ゾーン II は利用ゾーンと呼ばれ、このゾーンは滑り速度の増加に伴ってほぼ減少します。 最後に、ゾーン III はボイドゾーンと呼ばれます。 別の曲線は、高いピークとボイド ゾーンが消失した利用ゾーンの 2 つのゾーンに分割できます。 焼きなまし、冷間変形、空冷、および空冷と時効の両方の 3 つのゾーン (高ピーク、エクスプロイション、ボイド) の値の詳細を表 2 に示します。

焼きなましおよび冷間変形状態のアボット ファイアストーン曲線。

AC および AC+エージング条件のアボット ファイアストン曲線。

図 12 と 13 は、条件ごとに摩耗表面の異なるピークを定性的に示しています。 すべての図は、材料の欠陥による積層（低いピーク）、プラスチック ライン（プラウ）、およびホット ピークの存在を強調しています。

焼きなましおよび冷間変形条件における摩耗表面の異なるピーク。

AC 条件と AC+Aging 条件では摩耗表面のピークが異なります。

図 14 と 15 は、さまざまな条件における TC21 Ti 合金のさまざまな傾きと切片を示しています。 これにより、算術表面粗さを決定するための各コンディオチン後の材料欠陥の存在が単純化されます。

すべての条件の傾きのローズ プロット。

すべての条件の切片のローズ プロット。

図 16 は、Gwyddion によって実際の表面粗さをシミュレートするために MATLAB ソフトウェアによって推定された平均表面粗さを説明しています。 図３および図４に示すように、異なる形状の平均表面粗さが異なるプロファイルと完全に一致していることは明らかである。 それらは、高いピーク、低いピーク、および平均的なピークで構成されていますが、定性的なものです。

さまざまな条件で調査した試験片の表面粗さプロファイル。

摩耗表面の挙動を理解し、重要なパラメータ（硬度または速度）を決定するには、摩耗速度と速度および材料の状態（硬度）を定量的にシミュレートする数学的モデリングを構築する必要がありました。 アボット ファイアストーン ゾーンの両方のパラメータ (摩耗テストの硬度と速度) を調査し、硬度と速度に関連してアボット ファイアストーン ゾーンを表現する数学的モデルを構築することが極めて重要です。 CCD を使用して、硬度と速度に関連するアボット ファイアストン ゾーンを示しました。 表 3 と表 4 は、硬度と速度のパラメータのさまざまな限界を、関連するアボット ファイアストン ゾーンとともに示しています (高いピークは応答 1 を表し、利用は応答 2 を表し、ボイドは応答 3 を表します)。

このセクションでは、摩耗表面として表される TC21 Ti 合金のアボット ファイアストン ゾーンに対する硬度と速度の影響を研究します。 Abbott Firestone モデルの調査と構築は、RSM を使用して実行されました。 Design-Expert ソフトウェアを使用していくつかの試行を進めた後、表 4、5、および 6 に示すように、いくつかのモデルの統計的評価に基づいて線形モデルと 2FI モデルが提案されました。修正された線形モデルは、高ピークおよび開発ゾーンに最適です。 。 ただし、ボイド ゾーンの 2FI モデルでは、調整された相関係数が高くなります。 ソフトウェアは、取得されたデータ範囲について、3 次モデルがエイリアス化されていることも発見しました。 高ピーク、エクスプロイション、ボイドゾーンの R 二乗値は、それぞれ 0.7190、0.8373、0.3853 です。 ただし、調整後の R 二乗値はそれぞれ 0.6628、0.8048、0.1804 です。

ANOVA として知られる統計的設計ツールを使用すると、制御変数の個々の影響を区別できます。 統計的に有意な制御因子を見つけるには、通常、実験データを使用します。 DOE ソフトウェアと応答曲面技術を使用して、高ピーク、エクスプロイション、ボイド ゾーンに対する硬度 (H) と速度 (V) の影響が統計的に研究されました。 その後、これらの効果に基づいて、経験的なアボット ファイアストーン ゾーン モデルが開発されました。 逐次 F 検定を使用して、回帰モデルの有意性を評価しました。 アボット ファイアストン ゾーンの ANOVA 生成モデルを表 7、表 8、および表 9 に示します。このモデルの F 値は、高ピーク、利用ゾーン、空隙ゾーンでそれぞれ 53.71、162.40、および 3298.27 であり、その重要性の証拠を示しています。 大きな F 値がノイズによって引き起こされる可能性は非常に低いです。 その確率はわずか0.01%です。 高いピークの予測 R2 値 0.5682 は、一般に予想されるように、差が 0.2 より大きい調整後の R2 値 0.9634 には遠くありません。 ただし、エクスプロイション ゾーンとボイド ゾーンはそれぞれ 0.8537 と 0.9748 であり、調整された R2 値の 0.9878 と 0.9995 に可能な限り近い値です。 ここで、差は 0.2 より小さいです。 これは、重大なブロック効果、またはモデルやデータの潜在的な問題の兆候である可能性があります。 ハイピーク、エクスプロイテーション、ボイドゾーンの Adeq 精度値は、それぞれ 28.4762、49.0535、199.0782 です。 4 より大きい比率を使用して、モデルが設計空間を探索できることを示すのが最善です。モデルの「P > F」値は 0.05 未満であり、それらが重要であることを示しています (高いピーク、活用、およびボイド ゾーン)。 。 これは、モデルのパラメーターが応答 (高いピーク、活用、およびボイド ゾーン) にどの程度影響を与えるかを示すため、有利です。 A、B、AB、A2、B2、A2B などはモデル内の重要な用語です。 値が 0.1 より大きい場合、モデル項は有意ではありません。 重要性の低いモデル項を削除することで、モデルが改善される可能性があります。 最終的な経験式 (3)、(4)、(5) は、実際の係数、硬度 (H)、速度 (V)、およびそれらの乗算の観点から評価されたパラメータ範囲内で、高ピーク、エクスプロイテーション、ボイド ゾーンを特定できます。

アボット ファイアストーン ゾーンの動作を正確に追跡するには、経験方程式を使用して 3D 表面と等高線マップを構築することが必要です。 図 17 は、アボット ファイアストン ゾーン (高いピーク、利用、空隙) の 3D 表面プロットを示しています。 3D ビジュアルのさらなる利点は、別のパラメーターの値が変化したときに、あるパラメーターの影響がどのように変化するかを観察できることです。 たとえば、硬度 (H) と速度 (V) の効果を考慮すると、高ピーク (図 17a) と利用ゾーン (図 17b) で速度の効果がより強かったことは明らかです。 ただし、硬度と速度の両方の効果は、ボイドゾーンでより強かった(図17c)。 アボット ファイアストン ゾーンのさまざまな値を予測するには、図 18 に示すような等高線マップを作成することが非常に役立ちます。硬度と速度が増加すると、高いピークが徐々に増加します (図 18a)。一方、硬度と速度が減少すると、ピークは増加します。開発ゾーン内（図18b）。 中程度の硬さの場合、速度を増加させると、ボイドゾーンが徐々に増加します (図 18c)。 低速では、硬度を増加させると高いピークがわずかに増加し、硬度の中間値で正の転換点が形成されます。 高速かつ低硬度では、高速で硬度が増加しながら高いピークが 2 倍増加すると、高いピークがわずかに減少します (負のティッピング)。 速度と硬度の両方を増加させると、高いピークが劇的に増加することは言及する価値があります。 さらに、開発ゾーンはほぼ一定です。 空隙の深さは、低いハーネスと低い速度の両方で非常に低くなります。 低速では中程度の硬さでティッピングが発生しますが、その逆も同様です。 高硬度で速度を増加させると、高い正のティッピングが得られ、逆も同様ですが、硬度と速度の両方を増加させると、突然劇的な減少が見られます。 図 19 は、実際のアボット ファイアストン ゾーンと予測されたアボット ファイアストン ゾーン、高ピーク (図 19a)、開発 (図 19b)、およびボイド (図 19c) の間の関係を示しています。

アボット ファイアストン ゾーンの 3D 表面プロット (a) 高いピーク、(b) 開発、および (c) ボイド。

アボット ファイアストン ゾーンの等高線図 (a) 高峰、(b) 開発、(c) 空隙。

実際のアボット ファイアストン ゾーンと予測されたアボット ファイアストーン ゾーンの関係 (a) 高峰、(b) 開発、および (c) 空隙。

この研究では、RSM を使用して Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr 合金の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリングを調査しました。 実験とモデリングの結果から次の結論が導き出されます。

AC+時効試験片では最大硬度 425 HV20 が得られ、焼き鈍し試験片では最小硬度 353 HV20 が報告されました。

AC+時効試験片は硬度が高いため、摩耗率が最も低く、焼きなましした試験片の摩耗率が最も高かった。 溶体化処理後の時効処理により耐摩耗性が大幅に向上し、焼鈍した試験片と比較して98%に達します。

平均表面粗さ (Ra) は、すべり速度が増加するにつれて平均表面粗さが減少する AC+時効条件を除くすべての条件ですべり速度の増加とともに増加します。

アボット ファイアストーン ゾーン (高いピーク、エクスプロイション、ボイド) のモデルは、摩耗した表面の摩耗挙動を正確に予測します。

低い滑り速度と硬度では、この材料は最高の利用ゾーン (86%) をもたらします。 高速かつ高硬度であるにもかかわらず、この材料の利用ゾーンは最も低くなります (70%)。

予想された結果は実験結果とよく一致しており、開発されたモデルがアボット ファイアストン ゾーンの予測にうまく適用されていることを示しています。

RSM モデルは、最高の利用ゾーンを達成するための最良の硬度と摩耗テストの速度を見つけるために使用されました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。

タビン冶金研究所、カイロ、エジプト

ラマダン N. エルシャー

中央冶金研究開発研究所、カイロ、エジプト

ハーレド・M・イブラヒム & アーメド・イスマイル・ザキー・ファラハット

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概念化、RNE、KMI、AIZF。 方法論、RNE、KMI、AIZF。 検証、RNE、KMI、AIZF。 正式な分析、RNE、KMI、AIZF。 調査、RNE、KMI、AIZF。 リソース、RNE および KMI。 データキュレーション、RNE、KMI、AIZF。 執筆 - オリジナル草案の準備、RNE および AIZF。 執筆、レビューおよび編集、RNE、KMI、AIZF。 視覚化、RNE、KMI、AIZF。 監督、RNE、KMI、AIZF すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

ラマダン N. エルシャールへの通信。

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転載と許可

Elshaer、RN、Ibrahim、KM、Farahat、AIZ Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr 合金の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリング。 Sci Rep 13、8878 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35883-1

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受信日: 2023 年 2 月 12 日

受理日: 2023 年 5 月 25 日

公開日: 2023 年 6 月 1 日

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

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