在切削加工中，工件由于受到切削力和切削热的作用，使表面层金属的物理机械性能产生变化，最主要的变化是表面层冷作硬化、金相组织的变化和残余应力的产生。由于磨削加工时所产生的塑性变形和切削热比刀刃切削时更严重，因而磨削加工后加工表面层上述三项物理机械性能的变化会很大。
一、表面层冷作硬化
1.冷作硬化产生原因
切削或磨削加工中，表面层金属由于塑性变形使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移,晶粒被拉长和纤维化，甚至破碎，引起材料的强化（使表面层金属的硬度和强度提高），这种现象称为冷作硬化。
冷作硬化的特点：变形抵抗力提高(屈服点提高)，塑性降低(相对延伸率降低)。
金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化。这些现象统称为弱化（回复）。机械加工过程中产生的切削热，将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。
由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加下后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。
2.评定冷作硬化的指标
表面层的冷作硬化
评定冷作硬化的指标有如下三项：
（1） 表层金属的显微硬度H；
（2） 硬化层深度h；
（3） 硬化程度N，其按下式计算：N=（H-H0)/H0
式中：H0为工件内部金属原来的硬度。
3.影响冷作硬化的主要因素
表面层冷作硬化的程度决定于产生塑性变形的力、变形速度及变形时的温度。力越大，塑性变形越大，则硬化程度越大；速度越大，塑性变形越不充分，则硬化程度越小；变形时的温度不仅影响塑性变形程度，还会影响变形后金相组织的恢复程度。
具体影响因素如下：
1)刀具
① 刀具切削刃口圆角↑—〉径向切削分力↑—〉表层金属的塑性变形↑—〉导致冷硬↑。
② 前角γ0↑—〉塑性变形↓—〉冷硬齿。
③ 后刀面磨损↑—〉冷硬程度↑。
2)切削用量
V与f对冷作硬化的影响
① 切削速度V↑—〉刀具与工件的作用时间↓—〉金属的塑性变形↓—〉硬化层深度和硬度↓。
② 进给量f的影响：
a)进给量f超过一定值时，进给量↑—〉切削力↑—〉表层金属的塑性变形↑—〉冷硬程度↑。
b)进给量f过小—〉切削厚度↓—〉刀刃圆弧对工件表面层的挤压次数↑—〉硬化程度↑。
3)工件材料——工件材料的硬度↓、塑性↑—〉冷硬现象↑。nextpage
二、表面层材料金相组织变化
当切削热使被加工表面温度超过相变温度后，表层金属的金相组织将会发生变化。
1.磨削烧伤
当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。
例如：高合金钢（如轴承钢、高速钢、镍铬钢等）传热性特别差，在冷却不充分时易出现磨削烧伤；而淬火钢极易相变。
在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：
1）回火烧伤
如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种烧伤称为回火烧伤。
2）淬火烧伤
如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或屈氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。
3）退火烧伤
如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。
2.改善磨削烧伤的途径
磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。
1)控制磨削用量
提高砂轮和工件的速度，可减少热源的作用时间，对降低表面层温度有利。
减小磨削深度和加大纵向进给量同样对降低表面层温度有利。
2)合理选择砂轮
提高砂轮磨粒的硬度和强度，可提高磨粒的切削性能。
采用粗粒度和较软的砂轮可提高砂轮自锐性，同时砂轮也不易堵塞，因此，都可避免磨削烧伤的发生。
3)改善冷却条件，提高冷却效果
采用高压大流量冷却液、采用内冷却砂轮、冷却液喷嘴加装空气挡板都能获得良好的冷却效果。
磨削时，由于砂轮转速高，在其周围表面将产生一层强气流，用普通冷却方法，磨削液很难进入磨削区AB:
普通冷却方法
内冷却法是将经过严格过滤的冷却液通过中空主轴引入砂轮的中空腔内。由于离心力的作用，将切削液沿砂轮孔隙向四周甩出，直接冷却磨削区:
内冷却砂轮结构
冷却液喷嘴加装空气挡板可减轻砂轮圆周表面的高压气流作用使冷却液易进入磨削区:
加装空气挡板的冷却液喷嘴nextpage
三、表面层残余应力
1.产生残余应力的原因
1）冷态塑性变形：机械加工时，在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大，体积膨胀，则因受基体材料制约就会在表层产生残余压应力，而在里层金属中产生残余拉应力。
2）热态塑性变形：机械加工时，切削区会有大量的切削热产生，表面层与里层金属间产生很大的温度梯度。 冷却时，表面层收缩从而形成较大的残余拉应力，而在里层金属中产生残余压应力。
3）金相组织变化：切削时的高温会引起表面层金相组织变化。不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容。
如果表层金属体积膨胀，则因受基体材料制约就会在表层产生残余压应力；相反，则表层产生残余拉应力。残余拉应力超过材料屈服极限时，产生表面裂纹。
马氏体、奥氏体、索氏体或屈氏体的比重分别为： 7.75、7.96、7.78。
2.不同磨削条件下所得到的表面残余应力
机械加工后的表面层残余应力及其分布，是上述三方面因素综合作用的结果。在一定条件下，可能是某一或二种因素起主导作用。例如：切削时切削热不多则以冷态塑性变形为主，若切削热多则以热态塑性变形为主。
三类磨削条件下产生的表面层残余应力
上图为三类磨削条件下产生的表面层残余应力：
①轻磨削条件产生浅而小的残余压应力，因为此时没有金相组织变化，温度影响也很小，主要是塑性变形的影响在起作用。
②中等磨削条件产生浅而大的拉应力。
③淬火钢重磨削条件则产生深而大的拉应力(最外表面可能出现小而浅的压应力)，它主要是热态塑性变形和金相组织变化的影响在起作用。
3.影响残余应力的工艺因素
影响残余应力的工艺因素主要是刀具的前角、切削速度以及工件材料的性质和冷却润滑液。具体的情况则看其对切削时的塑性变形、切削温度和金相组织变化的影响程度而定。
一般来说，低速车削时，切削热的作用起主导作用；高速切削时，表层金属的淬火进行得较充分，金相组织变化因素起主导作用。
一般来说，工件材料的强度越高、导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生残余拉应力的倾向就越大。
4.磨削裂纹的产生
总的来说，磨削加工中热态塑性变形和金相组织变化的影响较大，故大多数磨削零件的表面硬往往有残余拉应力。当残余拉应力超过材料的强度极限时，零件表面就会出现磨削裂纹。
磨削裂纹
磨削裂纹一般很浅(0.25～0.50mm)，大多垂直于磨削方向或成网状（磨螺纹时有时也有平行于磨削方向的裂纹)，如上图所示。磨削裂纹总是拉应力引起的，且常与烧伤同时出现。
