零件表面層的機(jī)械特性主要是指，在機(jī)械加工過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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	最大值
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(guò)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?，增?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(wú)益于發(fā)揮零件的功能。
　　在切削加工過(guò)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：
　?、偈褂们邢魅腥锌趫A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。
　?、鄯治龉ぜ牧纤苄缘挠绊懀?，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﹣?lái)減小塑性變形帶來(lái)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(guò)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(méi)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
　?、僭谇邢鬟^(guò)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(guò)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。
　?、谠谄矫婺ゴ材ハ鬟^(guò)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(guò)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(guò)程中，當(dāng)工件表層溫度超過(guò)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
　?、僖酝跸儒?機(jī)械制造工藝學(xué)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013。
　?、谝话闱闆r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。
　?、芤话闱闆r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(guò)材料的拉伸強(qiáng)度極限時(shí)，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(guò)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：
　?、龠x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。
　?、谶x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(guò)程中工件表面層的溫度超過(guò)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(lái)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(guò)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：
　?、偾‘?dāng)?shù)販p小平面磨床磨削深度。
　?、诤侠淼販p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。