一、残余应力的成因
由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力叫做残余应力。由于外力为零，所以零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。
已加工表面层常有残余应力，有残余张应力和残余压应力之别。残余张应力会降低零件的疲劳强度，有时甚至在切削加工之后，就会使零件表面产生微裂纹；而残余 压应力有时却能提高零件的疲劳强度。各部分的残余应力由于分布不均匀，会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。
残余应力产生的原因有以下三个方面：
1.热塑变形效应
从§9—1得知，在已加工表面第一变形区里，金属已经发生塑性变形；进入第三变形区之后，进一步发生强烈的塑性变形。在第一变形区里产生变形热，温度约为 300℃。后刀面与加工表面之间的摩擦面(以下简称刀—工摩擦面)，除了生成变形热之外，还有摩擦热生成。高速切削时，刀—工摩擦面的温度约为刀—屑摩擦 面的60％—80％。高速切削碳钢时，刀—工摩擦面的温度高达600—800℃。无论是在第一变形区里，还是在第三变形区里，已加工表面的金属的塑性变 形，都是在受热之后的热膨胀的情况下发生的。已加工表面表层的温度比较高，深处的温度较低。当切削过后，表层和里层的温度都下降到相同的数值(室温)。因 此，表层收缩多，里层收缩少。表层的收缩受里层的牵制，因而表层存在张应力，里层存在压引力。
2.里层金属弹性的恢复
已加工表面形成时，表层金属经受强烈的塑性变形。表层塑性变形的过程是在里层金属处于弹性变形的情况下进行的。已加工表面形成之后，因刀具的作用力消失， 弹性变形便趋向复原，但受到表层金属的牵制，因而在表层造成应力状态。如果里层的弹性变形是压缩变形，则在表层造成张应力；如果里层的弹性变形是拉伸变 形，则在表层造成压应力。
3.表层金属在切削热的作用下发生相变
在高速切削时，刀—工摩擦面的温度可达到600—800℃，表层金属有可能发生相变(碳 钢的相变温度为720℃)而形成奥氏体，冷却后变为马氏体。而马氏体的体积比奥氏体大，因而表层金属膨胀，但受里层金属牵制。结果，使表层出现压应力，而里层存在张应力。
已加工表面呈现的残余应力，是由上述各成因导致的残余应力的合成。倘若热塑变形效应占优势，那末，已加工表面呈现的合应力是残余张应力；例如车削，见图9—26。
如果弹性恢复的作用占优势，而且弹性变形是拉伸变形，那末，已加工表面呈现残余压应力；例如用镶有硬质合金刀片的端铣刀铣削高强度钢D6AC，见图9— 27拉削圆孔时，已加工表面残余应力沿着主运动方向是张应力，沿着孔的圆周方向是压应力。这是由于前者热塑变形效应占优势，后者拉伸弹性恢复作用占优势。 为了减小主运动方向的残余应力，可以增加一次反方向的拉削。
二、已加工表面残余应力的调整与控制
一个机器零件的已加工表面如果存在残余张应力，那么零件的疲劳强度便会比存在残余压应力时低很多。要提高这类零件的疲劳强度，就得调整零件的表面残余应 力，也就是将残余张应力减小或将残余张应力变为残余压应力。调整的方法目前最常用的是喷丸法，使高压压缩空气通过一个喷嘴，将小钢球连续地喷射出去，冲击 零件表面，使其发生塑性延展，于是在零件的表面层就产生了残余压应力。这种方法虽然应用较广，但是仍然存在以下一些缺点：第一，需要一套昂贵的喷丸设备。 第二，被喷丸处理过的表面在发生塑性延展的同时还会产生加工硬化，而且硬化程度不易控制，也难得均匀。过度的硬化或局部的过度硬化都能降低零件的抗冲击强 度。第三，对形状复杂(如螺纹)的表面喷丸无能为力。
针对上述喷丸法的一些缺点，作者提出一种被称为“预应力加工”的方法。这种方法是在切削前给 工件预先施加张应力，并在切削时保持这个预应力，加工完了将预应力撤去，结果能在已加工表面上获得残余压应力。预应力加工的原理是：当给工件施加张应力 时，工件的表层同时伸长，切削时表面层由于发生了塑性变形，丧失了弹性恢复的能力，而里层金属因未发生塑性交形，仍然保有弹性恢复的能力。加工后应力释放 时，表层便不会收缩，而里层却要收缩，因而在表面层造成残余压应力。这个残余压应力的大小与预加的张应力大小有关。实验结果表明，施加的预应力越大(不能 大于工件材料的弹性极限)，获得的已加工表面的残余压应力的绝对值越大。这个预应力加工法提出后，已引起一些人的兴趣，已经有人将这种方法扩展到磨削加工 中去。将预应力加工法应用于螺纹加工，可以显著地提高螺纹的疲劳强度。研究结果表明，如果预应力选择恰当，疲劳强度可提高到2倍多。
三、加工硬化的成因
工件表层加工硬化的成因是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形。在切削的过程中，切削刃前方的金属朝着切削刃运动，同时这部分金属的晶粒 伸长，成为纤维状，继而包围着切削刃。正如图9—28所示，切削层金属以0点为分流点，在0点以上的金属流向前刀面，成为切屑；0点以下的金属流向后刀 面，成为已加工表面。因为0O’线所在的位置比已加工表面的位置为高，所以当00’线以下的金属流过后刀面时受到压缩，好像将00’线以下的金属压缩到 mm’以下一样。所以切削刃和后刀面与工件之间存在很大的压力，因而也就产生很大的摩擦力，使得流过的金属发生很大的塑性变形。这就是第三变形区的变形。 跟后刀面接触和摩擦的已加工表面下的极薄一层金属的变形最大，它的晶粒受到破坏，成为非晶质层；因此这一薄层金属的冷作硬化最为强烈。从表面层往下，塑性 变形逐渐减小，因而硬化程度从表层向深处也就逐渐减小。图9—29表示切削层剖面的显微照片，图中最上面的极薄一层是表层，即非晶质层，往下一层是纤维组 织层，再往下是母体金属。图9—30表示各层显微硬度的分布。从图看出：非晶质层硬度最大，塑性变形层硬度次之，母体金属的硬度最小。塑性变形层的硬度可 以达到母体硬度的二倍，或更高。车削碳钢时，加工硬化的深度可达十分之几毫米，有时可能更深些。
图9—3l表示用高速钢刀具车削低碳钢外圆柱面时加工硬化的情况。
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