机械加工为何会在表面层产生残余应力

应力分为压应力和拉应力。金属工件经机械加工后，表面层组织会发生形状变化或组织变化，在表面层及其与基体材料的交界处就会产生互相平衡的应力，即表面层的残余应力。残余压应力可提高工件表面的耐磨性和疲劳强度，而残余拉应力则起相反的作用。若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限值时，则使工件表面产生裂纹，加速工件损坏。

残余应力的产生，有以下三种原因。

(1)冷态塑性变形引起的残余应力在机械加工过程中，由于切削力的作用使工件表面受到强烈的塑性变形，而此时基体金属处于弹性变形状态。切削力消除后，基体金属趋向恢复，但受到表面层的限制，因而要产生残余应力。其中切削刀具对已加工表面的挤雎和摩擦的影响较大，使表面层产生伸长塑性变形，这时产生的残余应力为压应力。

(2)热态塑性变形引起的残余应力 切削加工时．由于表面层与基体受热源作用的影响不同，产生的热膨胀变形程度也不同。当切削结束后，由于表层已产生塑性变形并受到基体的限制，就要产生残余拉应力。磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，甚至出现裂纹。

(3)金相组织变化引起的残余应力机械加工过程中产生的高温会引起表面层的金相组织变化，不同的金相组织具有不同的比重，亦即具有不同的比热容。因此，如果表面层发生金相组织的转变，不论是膨胀还是收缩，必然与基体之间产生残余应力。

例如钢中马氏体的密度为7.75kg/m3，奥氏体的密度为7.96kg/m3，珠光体的密度为7.78kg/m3。磨削淬火钢时，如果产生回火，表层组织从马氏体变为屈氏体或索氏体（密度与珠光体相近），比热容减小受到基体的阻碍产生残余拉应力。但若表层温度超过ac3（加热时转变为奥氏体的终了温度），冷却又充分，则原表层的残余奥氏体转变为马氏体，质量热容比增大受阻，这时工件表面i就要形成残余压应力；

机械加工后金属表面层的残余应力，是上述三者的综合结果。在不同的条件下，其中某一种或两种因素可能起主导作用。一般切削加工中，当切削温度不高时，起主导作用的是冷态塑性变形，产生残余压应力。磨削加工巾，热态塑性变形和相变起到了主导作用，产生残余拉应力。