Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке объясняется следующими причинами:

1. Под воздействием режущего или деформирующего инструмента на поверхность обрабатываемого материала в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождаемая упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, а следовательно, обуславливает рост удельного объема, достигающий 0,3-0,8% удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже. Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои. В результате этого в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях — растягивающие остаточные напряжения.

2. Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементарную стружку, деформирует (вытягивает) кристаллические зерна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластические деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность (в свою очередь) способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжатия. Соответственно этому в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения.

3. При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания происходит их дополнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т. е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях). Это приводит к появлению в направлениях скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения.

4. Выделяющаяся в зоне резания теплота мгновенно нагревает тонкие поверхностные слои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникают внутренние напряжения в связи с тем, что модуль упругости металла снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения воздействия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся сжатием. Этому препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях — уравновешивающие их напряжения сжатия.

5. При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей больший удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема — остаточные напряжения растяжения. Например, если сталь с мартенситной структурой шлифовать засаленным кругом при недостаточном охлаждении или неправильном режиме, то происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структур троостита или сорбита, имеющих меньший удельный объем, чем структура мартенсита. В этих отожженных слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях — уравновешивающие их напряжения сжатия.