Sự khác biệt cơ bản của quá trình tạo phoi khi gia công thép cứng và thép thông thƣờng là sự hình thành phoi răng cƣa, lần đầu tiên đƣợc Shaw phát hiện vào năm 1954 [14]. Các lý thuyết khác nhau để giải thích về cơ chế hình thành phoi răng cƣa có thể chia thành hai dạng: Dạng thứ nhất dựa trên sự trƣợt đoạn nhiệt ban đầu, một trạng thái mất ổn định nhiệt dẻo thƣờng thấy ở các vật liệu hạn chế về khả năng biến cứng khi bị biến dạng ở tốc độ cao hoặc biến dạng dẻo lớn [104], [103]. Dạng thứ hai cho rằng do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi [14], [82], [83].
Theo quan điểm thứ nhất, sự thay đổi của tốc độ cắt khi gia công các loại vật liệu khó gia công gây ra sự không ổn định của quá trình đã dẫn đến phản ứng cơ nhiệt của vật liệu phôi dƣới điều kiện cắt gọt. Kết quả là sự trƣợt cục bộ và dạng phoi tuần hoàn đƣợc hình thành. Trƣợt cục bộ làm lực cắt thay đổi tuần hoàn và gây ra dao động hoặc va đập trong quá trình cắt, đặc biệt khi độ cứng vững của hệ thống thấp và nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ lớn. Phoi hình thành do trƣợt cục bộ là dạng phoi điển hình khi gia công các vật liệu có hệ thống trƣợt hạn chế (cấu trúc tinh thể sáu cạnh), khả năng dẫn nhiệt kém, độ cứng cao nhƣ các loại thép hợp kim cứng, các loại siêu hợp kim của titan và niken. Trái lại, phoi ổn định Hình 1.6. Các dạng phoi phân đoạn: phoi lƣợn sóng (a) và phoi răng cƣa (b) [83].
a)
11
là dạng phoi thích hợp khi gia công các loại vật liệu có hệ thống trƣợt mạnh (cấu trúc tinh thể bốn cạnh), tính dẫn nhiệt tốt, độ cứng thấp nhƣ các loại thép các bon và thép hợp kim thông thƣờng [104].
Cơ chế hình thành phoi do trƣợt cục bộ gồm một chuỗi các quá trình với hai giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thứ nhất là sự trƣợt không ổn định và biến dạng cục bộ trong một dải hẹp ở vùng trƣợt thứ nhất phía trƣớc dụng cụ. Giai đoạn thứ hai là quá trình phá hủy theo đƣờng nghiêng hình chêm của vật liệu phôi khi dụng cụ tiến về phía trƣớc với biến dạng không đáng kể để hình thành một phân đoạn phoi [104].
Quá trình hình thành phoi do trƣợt cục bộ khác hẳn với quá trình hình thành phoi liền (Hình 1.7). Trong trƣờng hợp hình thành phoi liền, hiện tƣợng biến cứng chiếm ƣu thế so với hiện tƣợng mềm hoá vì nhiệt. Khi trƣợt diễn ra dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a, do bị biến cứng nên ứng suất yêu cầu cho biến dạng tiếp theo trở nên lớn hơn và mặt phẳng yếu nhất sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo. Vì vậy,
trƣợt sẽ chuyển sang mặt phẳng tiếp theo dẫn đến một sự phân bố biến dạng đồng đều trong phoi ở cấp độ tổng thể. Trong trƣờng hợp hình thành phoi do trƣợt cục bộ, sự mềm hoá vì nhiệt chiếm ƣu thế hơn sự biến cứng. Khi trƣợt diễn ra dọc theo mặt phẳng trƣợt chính a (Hình 1.7), sức bền ở đây nhỏ hơn nên mặt phẳng này vẫn là mặt phẳng yếu nhất và trƣợt tiếp tục diễn ra ở đây hay nói khác đi, trƣợt đƣợc giới hạn trong một mặt phẳng hẹp. Vì vậy, sự phân bố biến dạng trong phoi ở cấp độ tổng thể là không đồng đều. Nhƣ vậy, bản chất của cơ chế tạo phoi ở đây chỉ là sự cạnh tranh của hai hiện tƣợng cơ nhiệt là biến cứng và mềm hóa vì nhiệt [103].
Theo quan điểm thứ hai, quá trình hình thành phoi răng cƣa là do sự mất ổn định theo chu kỳ dựa trên sự xuất hiện và lan truyền của các vết nứt ở bề mặt tự do của phoi trải qua các giai đoạn (Hình 1.8) [73]:
Hình 1.7. Sơ đồ các giai đoạn của quá trình tạo phoi do trƣợt cục bộ trong cắt kim loại [104]. C A A' D I s1 s2 II B Dao y x B C A D I II Dao S1 B C A D A' I II S1 S2 Dao a b c c a b a' ls
12
Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt tới giá trị tới hạn, một vết nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển về phía lƣỡi cắt.
Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, thể tích phoi giữa vết nứt và cạnh viền lƣỡi cắt bị đẩy lên hầu nhƣ không có bất kỳ biến dạng nào. Khi dụng cụ tiến về phía trƣớc, khe hở giữa
vết nứt và cạnh viền lƣỡi cắt sẽ nhỏ dần làm chiều dày của phoi giảm. Tốc độ trƣợt của phoi trên mặt trƣớc của dụng cụ và ở bề mặt vết nứt lớn đến nỗi ma sát làm nhiệt độ tăng
đến gần điểm chuyển hóa A3. Vì thế, mactensite có thể đƣợc tạo ra dƣới dạng các lớp trắng xung quanh đoạn phoi vừa hình thành. Bên cạnh đó một lớp trắng tƣơng tự tồn tại trên bề mặt gia công do ma sát lớn với mặt sau của dụng cụ.
Giai đoạn 3: Chiều rộng của khe hở hẹp đến mức mà tốc độ đẩy ra và biến dạng dẻo của phoi là rất cao. Dƣới tác dụng của nhiệt độ cao, hai lớp trắng trên phoi hòa nhập với nhau tạo thành phần còn lại của đoạn phoi. Tại đây, chiều dày phoi rất nhỏ và nó nguội đi rất nhanh. Vì thế, sự chuyển hóa trong vùng này là đoạn nhiệt.
Giai đoạn 4: Phân đoạn phoi đƣợc hình thành và điền đầy vào chỗ trống giữa vết nứt và mặt bên trong của phoi do biến dạng lớn. Sự phân bố ứng suất nén mà bị giảm xuống trong giai đoạn 2 và 3 đóng vai trò quan trọng trở lại để bắt đầu một vết nứt mới và các hiện tƣợng của chu kỳ sẽ đƣợc lặp lại.
Dạng phoi tạo thành đƣợc điều khiển bởi sự cân bằng giữa tốc độ cắt và độ cứng của phôi thông qua mối liên hệ giữa hai thông số trên là nhiệt cắt [73].