Cea mai bună prelucrabilitate poate fi obținută într-un material dacă există:
• Ductilitate nu prea mare
• Fără călire prin muncă (deformare) ridicată
• Nu prea multă abraziune

Nu este ușor să definiți prelucrabilitatea materialului fără ajutorul proprietăților materialului original. Dar anumite tendințe pot fi găsite pentru anumite materiale.

Duritate

Duritatea este strâns legată de rezistență. Este capacitatea unui material de a rezista la o deformare localizată cauzată de indentare, zgâriere, îndoire prin penetrare, abraziune și uzură. Tehnicile de aliere și tratamentul termic ar contribui la obținerea unei rezistențe ridicate la deformarea localizată, adică duritatea ridicată obținută după aliere sau tratament termic. Se măsoară pe aparate speciale de testare a durității prin măsurarea rezistenței materialului împotriva pătrunderii unei indentări sau a unei forme speciale sub o sarcină dată. Măsurătorile durității sunt utilizate pe scară largă pentru controlul calității materialelor, deoarece sunt rapide și considerate a fi teste nedistructive. Diferitele scale de duritate sunt duritatea Brinell, duritatea Rockwell, duritatea Vickers etc. Duritatea poate fi un indicator al prelucrabilității materialului, dar duritatea singură nu este consecventă ca măsură a prelucrabilității materialului.

Prelucrabilitatea materialului variază în funcție de microstructura și duritatea acestuia (Finn 1989). Un material de lucru cu o duritate scăzută și o rată scăzută de călire prin prelucrare produce forțe de tăiere mici și presiune de contact scăzută la interfața sculă-așchie, determinând, în consecință, o creștere scăzută a temperaturii în regiunea de tăiere și, prin urmare, prezintă o prelucrabilitate bună. Valorile scăzute de duritate fac un material mai ușor de prelucrat. Însă, duritatea scăzută este un dezavantaj dacă este asociată cu o ductilitate ridicată.

Aparent, un material este ales pentru o anumită aplicație, în primul rând datorită proprietăților și funcțiilor sale și, în general, performanța sa de prelucrare devine un factor secundar în această selecție. Duritatea este modificată în funcție de microstructura sa. Prin urmare, controlul microstructurii materialului de lucru este deosebit de important, deoarece este o proprietate care poate fi influențată de producătorul materialului, într-o oarecare măsură. Particulele dure, cum ar fi carburile și nitrurile, sunt nedorite pentru materiale, deoarece ele sunt cauza unei uzuri abrazive mai rapide a sculei. Dacă o ușoară degradare a proprietăților materialului nu ar afecta prea mult aplicarea acestuia, alegerea unui material ușor de prelucrat va beneficia de reducerea costurilor de prelucrare.

Rezistența la curgere

Solicitarea este o rezistență împotriva forței interne care acționează în interiorul unui obiect deformabil. Cantitativ, este o măsură a forței medii pe unitatea de suprafață a unui plan din obiectul asupra căruia acționează forțele interne. Aceste forțe interne apar ca o reacție la sarcinile externe aplicate obiectului. Solicitarea normală σ este pe un plan perpendicular pe axa longitudinală a obiectului, care poate fi calculată folosind următoarea ecuație:

σ = P/A (6)

unde P este sarcina aplicată externă și
A este aria secțiunii transversale inițiale.

O deformare (strain) este o măsurătoare normalizată a deformației reprezentând deplasarea dintre particulele din obiect în raport cu o lungime de referință. Deformarea normală Ɛ în direcția longitudinală este deformația totală împărțită la lungimea inițială a obiectului, care poate fi calculată folosind următoarea ecuație:

Ɛ  = δ/L (7)

unde δ este modificarea lungimii obiectului și
L este lungimea originală a obiectului.

După cum se arată în Fig. 1, solicitarea σ este prezentată ca funcție de deformarea Ɛ, iar porțiunea inițială a curbei solicitare-deformare pentru cele mai multe materiale utilizate în structurile de inginerie este o linie dreaptă. Adică, pentru porțiunea de linie dreaptă a curbei solicitare-deformare, solicitarea σ este direct proporțională cu deformarea Ɛ, a cărei relație este cunoscută sub numele de legea lui Hooke în ceea ce privește mecanica continuului și a fost înregistrată pentru prima dată de Robert Hooke, un matematician englez, în 1678. Prin urmare, pentru un obiect supus unei sarcini uniaxiale, deformarea sa Ɛ este liniar proporțională cu solicitarea sa de tracțiune σ cu un factor constant E; prin urmare,

σ = E Ɛ   (8)

unde E este modulul elastic.

Legea lui Hooke este valabilă doar pentru unele materiale în anumite condiții de încărcare, ceea ce este valabil doar pentru el în întreaga sa gamă elastică, adică pentru solicitări sub limita de curgere.

Limita de curgere este un indicator al nivelului de solicitare la care materialul începe să se deformeze plastic. Acest punct de nivel al solicitării este numit punct de curgere în care o parte a deformației va fi permanentă și nereversibilă, iar materialul nu mai revine la forma și dimensiunea inițiale după eliberarea solicitării aplicate. Însă, nu toate materialele au un punct de curgere bine definit. În absența unui punct de curgere distinct, se utilizează un offset de 0,2 % pentru a obține un punct de curgere aproximativ. Figura 1 este o curbă solicitare-deformație care arată comportamentul de curgere tipic pentru materialele de inginerie: (a) aliaje feroase și (b) aliaje neferoase.

În general, duritatea materialului și limita de curgere sunt legate. Un material cu limită de curgere mare necesită un nivel ridicat de forță pentru a iniția formarea așchiilor într-un proces de prelucrare. Materialele cu rezistențe relativ mari vor fi mai dificil de prelucrat și vor reduce durata de viață a sculei. La fel ca și duritatea, un material de lucru cu limită de curgere scăzută produce forțe de așchiere mici și presiune de contact scăzută la interfața sculă-așchie, determinând, în consecință, o creștere scăzută a temperaturii în regiunea de tăiere, prin urmare, arată și o prelucrabilitate bună.

Tenacitatea la fractură

Mecanica fracturilor este un domeniu al mecanicii preocupat de studiul propagării fisurilor în materiale, care a fost dezvoltat în timpul Primului Război Mondial de un inginer aeronautic englez, AA Griffith, pentru a explica defectarea materialelor fragile. Fractura este o separare a unui obiect sau a unui material în două sau mai multe bucăți sub acțiunea solicitării. În loc să se concentreze direct asupra tensiunilor de la vârful fisurii, Griffith a folosit o abordare a balanței energetice care a devenit una dintre cele mai faimoase dezvoltări în știința materialelor, care poate fi folosită pentru a calcula forța motrice asupra unei fisuri și a caracteriza rezistența materialului la rupere.

Tenacitatea la rupere este una dintre cele mai importante proprietăți ale materialului pentru toate aplicațiile proiectate efectiv, care este un indicator al volumului de solicitare necesar pentru a propaga defectele preexistente, deoarece nu există un material perfect în natură. Toate materialele conțin mai mult sau mai puțin unele defecte care pot apărea ca fisuri, goluri, impurități metalurgice, segregări, dislocații, discontinuități sau o combinație a acestora.

S-a demonstrat că cele mai importante două defecte care afectează cedarea materialului sunt fisurile și dislocațiile (Ewalds și Wanhill 1986). De obicei, există trei moduri posibile de propagare a fisurilor identificate în general prin indicele I, II și III, așa cum se arată în Fig. 2: modul I numit și modul de deschidere, modul II numit de obicei modul de alunecare și modul III, de asemenea, denumit ca modul de rupere. În practică, dintre aceste trei moduri, cel mai aplicabil este modul de deschidere (modul I). Propagarea fisurilor în materiale a făcut obiectul multor cercetări în domeniul mecanicii ruperii elastice liniare, iar oboseala fiind bine documentată.

Irwin a descoperit că, dacă dimensiunea zonei plastice din jurul unei fisuri este mică în comparație cu dimensiunea fisurii, energia necesară pentru a crește fisura nu va depinde în mod critic de starea de solicitare la vârful fisurii. El a arătat că pentru o fisură în modul de deschidere (modul I), rata de eliberare a energiei de deformare G pentru creșterea fisurii și factorul de intensitate a solicitării KI sunt relevante, care pot fi exprimate folosind următoarele ecuații din domeniul solicitării (Irwin 1957):

unde G este rata de eliberare a energiei de deformare sau disiparea energiei,
GI este rata de eliberare a energiei de deformare pentru o fisură de modul I (mod de deschidere),
ν este raportul lui Poisson și
KI este factorul de intensitate a solicitării în modul I.

O fisură internă de lungime 2a este situată într-o placă de lățime finită W și este supusă unei solicitări σ la limită, așa cum se arată în Fig. 3. Factorul de intensitate a solicitării KI este exprimat ca

unde Y este un factor geometric și
a este jumătate din lungimea fisurii.

Irwin a mai arătat că rata de eliberare a energiei de deformare a unei fisuri plane într-un obiect elastic liniar poate fi exprimată în termeni de factori de intensitate a solicitării de modul I, modul II (mod de alunecare) și modul III (mod de rupere) pentru cele mai generale condiții de încărcare. 

Ca parametru de proprietate al materialelor de lucru, tenacitatea la rupere KC exprimă capacitatea unui material de a rezista la creșterea unei fisuri sau a unui defect preexistent. Solicitările la vârful unei fisuri sunt mult mai mari decât cele din materialele nefisurate. Este larg acceptat că factorul de intensitate a solicitării KI și tenacitatea la rupere KC afectează în mare măsură propagarea fisurilor pentru materiale (Kendall 1976). Tenacitatea la rupere KC este exprimată ca

unde GC este rata critică de eliberare a energiei.

Dacă GI ≥ GC, acesta este criteriul pentru care fisura va începe să se propage. Irwin a modificat teoria solidului a lui Griffith folosind factorul de intensitate a solicitării KI înlocuind rata de eliberare a energiei de deformare GI și tenacitatea la rupere KC înlocuind energia weakness a suprafeței GC. Astfel, atunci când factorul de intensitate a solicitării KI atinge un nivel critic de tenacitate la rupere KC, adică KI ≥ KC, fisura se propagă și apoi apare fractura. Tenacitatea scăzută la rupere contribuie la propagarea ușoară a fisurilor, ceea ce duce la reducerea dificultății de a produce așchii sparte. Prin urmare, o valoare scăzută a tenacității la rupere face un material mai ușor de prelucrat, prezentând o prelucrabilitate bună.

Efectele temperaturii asupra prelucrabilității

Puterea consumată la tăierea metalului este în mare parte transformată în căldură în jurul regiunii de tăiere. Se generează temperaturi ridicate în zona muchiei de tăiere, care au o influență de control asupra vitezei de uzură a sculei și asupra frecării dintre așchie și sculă (Boothroyd și Knight 1989). Creșterea temperaturii la interfața sculă-lucrare, variată în funcție de compoziția materialului de lucru, afectează direct performanța sculei de tăiere și influențează semnificativ în limitarea ratelor de îndepărtare a metalelor la tăierea fierului, oțelului și a altor metale și aliaje cu punct de topire ridicat. Distribuția temperaturii la interfața sculă-lucrare a fost determinată de modificări ale microdurității sau microstructurii în regiunile afectate de căldură ale materialului de lucru.

În timpul tăierii ortogonale a oțelului moale, temperatura medie a zonei de partajare θs crește ușor odată cu creșterea vitezei de tăiere și apoi tinde să devină constantă. Deoarece creșterea temperaturii (θm) la degajarea sculei care deține căldura de frecare în zona de deformare secundară crește rapid odată cu creșterea vitezei de tăiere, ca urmare, temperatura maximă a interfeței sculă-lucrare (θm + θs) crește, de asemenea, rapid odată cu creșterea vitezei de tăiere (Boothroyd și Knight 1989). De exemplu, temperatura maximă a interfeței sculă-lucrare poate ajunge până la 1.000o C la tăierea brută a oțelului.

Temperatura ridicată de tăiere are o influență de control asupra proprietăților mecanice ale materialului de lucru, așa cum se arată în Fig. 4 și 5. Figura 4 arată efectul temperaturii asupra rezistenței și ductilității materialului, iar Fig. 5 arată efectul temperaturii asupra durității diferitelor materiale de inginerie. În mod normal, cea mai mare parte a rezistenței la tracțiune a materialului și a rezistenței la curgere va scădea odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, efortul de curgere (YS = yield stress) și rezistența finală la tracțiune (UTS = ultimate tensile strength) a oțelului cu 75 % ferită, 15 % bainită și 10 % austenită reținută în volum scad odată cu creșterea temperaturii. Există o regiune de temperatură (120–400o C) în care o reducere a rezistenței odată cu creșterea temperaturii este întârziată sau chiar ușor crescută (Akbarpour 2007).

Ductilitatea sau alungirea majorității materialelor de inginerie va crește odată cu creșterea temperaturii. Dar creșterea temperaturii va duce la scăderea durității materialului. Rezultatele experimentale ale curbelor efort de tracțiune-deformare obținute la temperaturi de 260oC și 480oC pentru aliajul de aluminiu 7000 T4, aplicând o rată constantă de deformare de 10-3 s-1, au arătat că specimenul la temperatură mai joasă a suferit o defecțiune moderat ductilă, cu regiuni atât de călire prin deformare, cât și necking înainte de fractura bruscă finală, a cărui modul elastic este de 63 GPa, 0,2 % din limita de curgere este de 180 MPa și rezistența finală este de 233 MPa. Specimenul la temperatură mai ridicată a suferit o defecțiune foarte ductilă, fără rupere bruscă, a cărui modul elastic este de 37 GPa, 0,2 % din  limita de curgere este de 68 MPa și rezistența finală este de 73 MPa (Codrington și colab. 2009).

Figura 6 prezintă efectele tipice ale temperaturii asupra solicitării și deformării pentru aliajul de aluminiu 7075-T6: (a) deformarea obținută sub trei solicitări constante încălzită rapid la rate de temperatură foarte diferite și (b) curba efort-deformație la trei temperaturi diferite cu o constantă rata de deformare. Porțiunile înclinate ale curbelor dau în principal efectele expansiunii termice. Virajul brusc în jos din dreapta fiecărei curbe dă efectele vâscozității.

În general, la prelucrarea oricăror materiale precum metale, polimeri, compozite sau ceramică, există întotdeauna o creștere a temperaturii în regiunea de tăiere. De exemplu, la tăierea grosieră a oțelului moale, creșterea temperaturii în regiunea de tăiere poate ajunge la peste 1.000oC. Cu siguranță, o astfel de creștere ridicată a temperaturii va schimba proprietățile mecanice ale materialului de lucru, cum ar fi microduritatea, rezistența la tracțiune, limita de curgere, ductilitatea și starea deformare-solicitare și, frecvent, se întâmplă și schimbarea microstructurii materialului. Ca rezultat, prelucrabilitatea materialului de lucru va fi modificată în consecință, ceea ce ar fi un rezultat compus al tuturor tipurilor de efecte, incluzând proprietățile mecanice și termice ale materialului de lucru, microstructura, precum și comportamentul termic al sculei de tăiere.

Figura 7 prezintă o diagramă schematică a vitezei de tăiere adecvate, incluzând prelucrarea normală și prelucrarea de mare viteză pentru diferite materiale de lucru, care indică diferențele de prelucrabilitate pentru diferite materiale de lucru din punctul de vedere al vitezei de tăiere. De exemplu, tăierea cu o viteză de 200 m/min este considerată ca o prelucrare normală pentru materialele plastice armate cu fibre, aluminiu, bronz și alamă, dar este considerată ca o prelucrare de mare viteză pentru aliajele de titan și aliajele de nichel. Adică, uzura sculei este foarte rapidă la tăierea superaliajelor cum ar fi aliajele de titan și nichel, chiar dacă viteza de tăiere este considerată o viteză de tăiere relativ mică pentru aluminiu și cupru. Prin urmare, în cele două cazuri extreme, superaliajele, inclusiv aliajele de titan și aliajele de nichel, sunt clasificate ca materiale greu de prelucrat, și materiale precum aluminiul și aliajele de cupru sunt clasificate ca materiale ușor de prelucrat.

Există mari realizări în dezvoltarea sculelor de tăiere în ultimele decenii, incluzând carburi acoperite, ceramică, cermet, nitrură de bor cubică (CBN) și diamant policristalin (PCD), care au fost folosite pentru a îmbunătăți performanța de prelucrare fonte, oțeluri și aliaje de nichel. Tendințele de dezvoltare a unor noi scule de tăiere ar trebui să ia în considerare următoarele aspecte tehnice, în special pentru prelucrarea aliajelor de titan, care în prezent nu are prea mult succes (Ezugwu și Wang 1997):

1. Duritate termică ridicată împotriva solicitărilor mari implicate
2. Conductivitate termică bună pentru a minimiza gradienții temperaturii de tăiere și șocul termic
3. Inerție chimică bună pentru a reduce tendința de a reacționa cu titanul
4. Tenacitate și rezistență la oboseală pentru a rezista procesului de segmentare a așchiilor
5. Rezistență ridicată la compresiune, la tracțiune și la forfecare