Наряду с изменением микрогеометрии поверхности в процессе механической обработки происходят значительные изменения физико-механических свойств: пластически деформируется (наклепывается) вследствие силового воздействия инструмента поверхностный слой, а нагрев обрабатываемого материала, сопровождающий механическую обработку, вызывает фазовые превращения в поверхностном слое металла.

Наклеп поверхностного слоя обычно характеризуется глубиной и величиной остаточных напряжений и микротвердости. С увеличением глубины и интенсивности наклепа усталостная прочность металлов повышается. Изменение характеристики наклепа зависит от метода и режима обработки. При пластическом деформировании имеет место дробление и изменение ориентации блоков и зерен, увеличение линейной дефектности, т. е. происходит изменение структуры, характерное для механического наклепа.

Влияние упрочнения поверхностного слоя, созданного механической обработкой, исследовано многими авторами. Показано, что при обточке и полировании усталостная прочность возрастает на 20- 25% за счет наклепа. При изменении режимов резания изменяется высота шероховатостей и величина наклепа, а вследствие этого изменяется и усталостная прочность деталей.

Д. Д. Папшев исследовал влияние режимов силового резания на качество поверхностного слоя и усталостную прочность. Анализируя результаты исследований, автор отмечает, что усталостная прочность стальных изделий определяется величиной наклепа поверхностного слоя, характером и величиной остаточных напряжений в нем и шероховатостью обработанной поверхности. Увеличение глубины и степени наклепа благоприятно отражается на усталостной прочности. Величина предела выносливости, как это показано на рисунке 2.9, повышается с увеличением глубины h и степени е наклепа.

Рис. 2.9. Повышение усталостной прочности в результате увеличения глубины (а)
и степени (б) наклепа

Происходящие в процессе механической обработки структурные изменения поверхностного слоя существенно влияют на усталостную прочность деталей машин. Прижоги при шлифовании закаленных сталей резко снижают предел усталости и долговечность сталей. По данным исследований, шлифованные образцы, не имевшие ожогов, характеризовались пределом усталости 450 МПа, а у образцов с ожогами предел усталости был 330 МПа, т. е. снизился на 37%.

Это снижение прочности объясняется наличием участков концентрации напряжений на стыке переходных структур, а также появлением остаточных растягивающих напряжений, вызванных наличием в поверхностных слоях структур различных удельных объемов. При появлении трещин от ожогов остаточные напряжения снимаются, но предел усталости и долговечность при этом снижаются.

В результате шлифования волнистых поверхностей деталей из высокопрочных сталей в зоне перехода от гребня к впадине образуются переходные структуры пониженной прочности. Последующее тонкое шлифование и полирование, позволяющие достичь малых значений Ra, не обеспечивают выравнивание прочности металла в связи с неоднородностью структуры поверхностного слоя.