零件表面層的機(jī)械特性主要是指，在機(jī)械加工過程中，工件在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生的變質(zhì)層，即工件表面里層一定深度的材料層，表現(xiàn)的不同于工件基體材料基本機(jī)械性能的異常特性。
所謂“變質(zhì)層”，是指在機(jī)械加工過程中工件表層材料在切削力和切削熱的作用下沿晶面發(fā)生剪切滑移，致使晶格扭曲、晶粒拉長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)甚至金相組織發(fā)生變化，且具有一定深度的工件表面里層。變質(zhì)層的異常特性常常用加工硬化、殘余應(yīng)力、平面磨床磨削燒傷這些概念來表征。
變質(zhì)層表現(xiàn)出的加工硬化、殘余應(yīng)力、平面磨床磨削燒傷對(duì)零件的使用存在不同的影響，有時(shí)是有利的，有時(shí)是不利的。
(1)加工硬化
所謂“加工硬化”，是指毛坯(工件)經(jīng)過機(jī)械加工后加工表面的硬度常常高于它的基體材料硬度的一種硬化現(xiàn)象。這是機(jī)械加工后零件表面變質(zhì)層的一個(gè)特征。
在機(jī)械加工過程中，磨床切削力使加工面及其里層的金屬晶格扭曲、晶粒拉長(zhǎng)甚至破碎，產(chǎn)生很大的塑性變形，阻礙這里的金屬進(jìn)一步的變形，即使材料“強(qiáng)化”；與此同時(shí)，切削熱又使這里的材料溫度升高(在到達(dá)相變溫度以前)，導(dǎo)致塑性變形引起的硬化得以緩解，即使材料“弱化”；當(dāng)切削熱引起的材料溫度升高超過相變溫度以后，情況較為復(fù)雜，由相變的具體情況確定。
加工硬化出現(xiàn)在加工表面及其里層一定深度范圍內(nèi)；不同的加工方法產(chǎn)生不同的里層深度，如表11所示。
表11 加工方法對(duì)加工硬化里層深度的影響示例追
加工方法

加工方法		工件材料	加工硬化層深度/um
			平均值	值
車削	粗車	低碳鋼	30—50	200
	精車	低碳鋼	20～60
鏡削	端面銑	低碳鋼	40一100	200
	嘲周銑	低碳鋼	40～80	110

加工硬化是由材料的“強(qiáng)化”和“弱化”這兩個(gè)變化過程綜合作用的結(jié)果，通常情況下，導(dǎo)致加工后零件表面硬度增加。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，適當(dāng)?shù)募庸び不梢允沽慵韺佑捕忍岣撸鰪?qiáng)零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。然而，在某些情況下，例如，當(dāng)加工硬化嚴(yán)重時(shí)，硬化會(huì)使加工表面出現(xiàn)顯微裂紋，反而降低零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，無益于發(fā)揮零件的功能。
在切削加工過程中，通常塑性變形起主要作用，因而控制(減輕)加工硬化的基本方法是：
①使用切削刃刃口圓弧半徑大或(和)主、副偏角小的刀具進(jìn)行加工，可以減輕加工表面層的塑性變形，緩解加工硬化現(xiàn)象。
②增加切削速度和減小進(jìn)給量進(jìn)行加工，也可以減輕加工表面層的塑性變形，緩解加工硬化現(xiàn)象。
③分析工件材料塑性的影響，例如，對(duì)于碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量不同(越低)，塑性不同(越大)，硬化程度也不同(越嚴(yán)重)。此時(shí)，加工時(shí)應(yīng)該根據(jù)不同情況采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小塑性變形帶來的不利影響。
除此之外，合適的冷卻潤(rùn)滑依然是減輕加工硬化的一個(gè)不錯(cuò)的措施。
在平面磨床磨削加工過程中，平面磨床磨削溫度常常是很高的，使加工表面層材料軟化或金相組織發(fā)生變化。由于平面磨床磨削加工的情況不同，變質(zhì)層的加工硬化變化也是不同的，因而此時(shí)的硬度變化規(guī)律是較為復(fù)雜的。
對(duì)于這種情況，人們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的對(duì)策。
(2)殘余應(yīng)力
所謂“殘余應(yīng)力”，是指在機(jī)械加工后在沒有外力作用的情況下零件表面留存的一種應(yīng)力。殘余應(yīng)力又分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。這是機(jī)械加工后零件表面變質(zhì)層的又一個(gè)特征。
1)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因
①在切削過程中，工件表層受刀具的擠壓和摩擦產(chǎn)生拉伸塑性變形，即所謂的“冷塑性變形”。這種冷塑性變形將使工件的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
在這種加工過程中，冷塑性變形起主導(dǎo)作用，殘余壓應(yīng)力是影響殘余應(yīng)力數(shù)值的主要因素。
②在平面磨床磨削過程中，工件表層在摩擦熱的作用下產(chǎn)生壓縮塑性變形，即所謂的“熱塑性變形”。這種熱塑性變形將使工件的表層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
在這種加工過程中，熱塑性變形起主導(dǎo)作用，殘余拉應(yīng)力是影響殘余應(yīng)力數(shù)值的主要因素。
③在切削或平面磨床磨削過程中，當(dāng)工件表層溫度超過金屬材料的相變溫度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“相變殘余應(yīng)力”：工件的表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。
零件表面層的殘余應(yīng)力就是以上幾個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。不同的加工方法在工件表面留存的殘余應(yīng)力示例如表12所示。
表12加工方法與殘余應(yīng)力示例①
加工方法 殘余應(yīng)力性質(zhì) 殘余應(yīng)力數(shù)值/MPa
車削 　　　 ② 　　　　　 ③
平面磨床磨削 ④ 　　　 200～1000
銑削 　　　 ② 　　　　 600一1500
鍍鉻 表面為拉應(yīng)力。里層為壓應(yīng)力 400
鍍銅 表面為拉應(yīng)力，里層為壓應(yīng)力 200
①引自王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013。
②一般情況下，工件的表面為殘余拉應(yīng)力，里層為殘余壓應(yīng)力；應(yīng)力層深度在0.05—0.10mm范圍內(nèi)。當(dāng)切削速度為500m/min時(shí)，則工件的表面為殘余壓應(yīng)力，里層為殘余拉應(yīng)力。
③一般情況下，殘余應(yīng)力在200—800MPa范圍內(nèi)；當(dāng)?shù)毒吣p時(shí)，可達(dá)1000MPa。
④一般情況下，工件的表面為殘余壓應(yīng)力，里層為殘余拉應(yīng)力；應(yīng)力層深度在0.05—0.30mm范圍內(nèi)。
當(dāng)殘余應(yīng)力(殘余拉應(yīng)力)超過材料的拉伸強(qiáng)度極*，工件表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。此外，工件表面出現(xiàn)裂紋還與工件材料(材質(zhì)、硬度)有關(guān)，例如，在平面磨床磨削含碳量低于0.4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼材(低碳鋼)時(shí)，不管怎么樣，基本上不出現(xiàn)裂紋；防爆電氣設(shè)備常用的普通鋼材[Q235(含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17％一0.22％)]就屬這種情況。
2)殘余應(yīng)力的控制方法
在切削和平面磨床磨削加工過程中，由于殘余應(yīng)力是(冷或熱)塑性變形和相變應(yīng)力引起的，因而控制(減輕)殘余應(yīng)力的基本方法是：
①選擇合適的刀具和切削速度、進(jìn)給量、工件和磨具的旋轉(zhuǎn)速度。
②選用合適的冷卻潤(rùn)滑液對(duì)工件和刀具進(jìn)行有效的冷卻潤(rùn)滑。
(3)平面磨床磨削燒傷
所謂“平面磨床磨削燒傷”，是指在平面磨床磨削加工過程中工件表面層的溫度超過工件材料的相變溫度，引起材料的金相組織發(fā)生變化，繼而表面層硬度增大，于是產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力，乃至表面出現(xiàn)顯微裂紋的一種“燒傷”現(xiàn)象。這是機(jī)械加工后零件表面變質(zhì)層的另一個(gè)特征。
平面磨床磨削燒傷是平面磨床磨削加工的一個(gè)重要特征。零件平面磨床磨削燒傷的嚴(yán)重程度，可以用觀察加工表面顏色的方法來判斷：隨著燒傷層深度的增加，加工表面氧化膜的顏色依次為淺黃色、黃色、紫褐色、青色等。這只是一個(gè)概念性的判斷方法。
嚴(yán)重的平面磨床磨削燒傷會(huì)大大地降低零件的使用性能和使用壽命，甚至不能使用。
在平面磨床磨削過程中，大量的平面磨床磨削熱是造成平面磨床磨削燒傷的直接因素，因而控制(減輕)平面磨床磨削燒傷的基本方法是：
①恰當(dāng)?shù)販p小平面磨床磨削深度。
②合理地減小磨具與工件的接觸面積和接觸時(shí)間。
③充分地運(yùn)用切削液對(duì)加工部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。