Кроме остаточных напряжений первого порядка, охватывающих микрообъемы металла, при обкатывании возникают и остаточные напряжения второго порядка, уравновешивающиеся в пределах одного или группы зерен (в дальнейшем будем рассматривать остаточные напряжения первого порядка). Причиной возникновения остаточных напряжений второго порядка является различие физических свойств структурных составляющих металлов и их сплавов, имеющих поликристаллическое строение. К примеру, углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-пер- литную структуру, составляющие которой (феррит й перлит) обладают различными механическими свойствами. Так как феррит пластичнее, то при равных напряжениях степень пластической деформации зерен феррита гораздо выше, чем зерен перлита. После снятия нагрузки, вследствие взаимной связанности отдельных структурных компонентов, зерна феррита получают остаточные напряжения сжатия, а зерна перлита — остаточные напряжения растяжения. Кроме того, на возникновение напряжений второго порядка оказывает влияние и анизотропия механических свойств одного и того же кристалла в различных кристаллографических плоскостях.
Таким образом, деталь после размерно-чистовой и упрочняющей обработки находится в сложном остаточно-напряженном состоянии, которое в сочетании с упрочнением поверхностного слоя можно уподобить состоянию детали после поверхностной закалки.
При обкатывании различных материалов наблюдается идентичность характера распределения остаточных напряжений по сечению образцов. В поверхностных слоях возникают основные напряжения сжатия, направленные вдоль оси образца: тангенциальные (окружные) напряжения сжатия в плоскости перпендикулярной оси образца и незначительные радиальные растягивающие напряжения у самой поверхности, равные нулю. Радиальные остаточные напряжения растяжения в 4 —10 раз (в зависимости от материала и режимов обкатывания) меньше сжимающих остаточных напряжений, из которых осевые обычно в 1,5 — 2 раза превышают тангенциальные. Остаточные напряжения, возникающие в результате поверхностного пластического деформирования, отличаются высоким градиентом, что позволяет в некоторых случаях получать остаточные напряжения, превышающие предел текучести для данного материала, определенный при одноосном растяжении. По абсолютной величине максимальные сжимающие остаточные напряжения при обкатывании стали могут составлять 500 — 980 мН/мм2 в зависимости от материала и режимов обкатывания. Для алюминиевых сплавов осевые остаточные напряжения могут быть доведены до 330 — 380 мН/мм2. При этом тангенциальные остаточные напряжения оказываются на 10 — 20% ниже.
