硬質(zhì)合金球是一種由難熔金屬碳化鎢（WC）粉末為主成分、以鈷（Co）或鎳（Ni）等為粘結(jié)劑，通過(guò)粉末冶金工藝燒結(jié)而成的球狀制品。其內(nèi)應(yīng)力的形成主要源于材料制備過(guò)程中微觀(guān)組織的不均勻性，具體機(jī)制及影響如下：
一、內(nèi)應(yīng)力形成機(jī)制
1. 熱膨脹系數(shù)差異
在燒結(jié)過(guò)程中，鈷（Co）粘結(jié)劑與碳化鎢（WC）基體的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異。當(dāng)材料從高溫冷卻至室溫時(shí)，由于兩者收縮速率不同，會(huì)在界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力在硬質(zhì)合金球中表現(xiàn)為鈷相的拉應(yīng)力與碳化鎢相的壓應(yīng)力，且應(yīng)力絕對(duì)值隨相體積百分?jǐn)?shù)的減少而增大。
2. 晶粒尺寸效應(yīng)
WC晶粒度：WC晶粒尺寸的變化會(huì)直接影響各相的熱應(yīng)力分布。例如，WC晶粒度增加會(huì)導(dǎo)致鈷相中拉應(yīng)力降低，而WC晶粒內(nèi)部壓應(yīng)力增大。
鈷層厚度：鈷含量越高，粘結(jié)相的平均自由程（鈷層厚度）越大，合金的矯頑磁力越小，內(nèi)應(yīng)力分布越不均勻。細(xì)晶粒合金因晶界面積大，內(nèi)應(yīng)力釋放速率較慢，殘余應(yīng)力水平通常高于粗晶粒合金。
3. 相變與組織不均勻性
燒結(jié)過(guò)程中可能出現(xiàn)的相變（如γ-Co向ε-Co轉(zhuǎn)變）或組織不均勻性（如鈷相偏聚）會(huì)進(jìn)一步加劇內(nèi)應(yīng)力。例如，鈷相在燒結(jié)冷卻時(shí)的馬氏體相變會(huì)產(chǎn)生體積變化，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
二、內(nèi)應(yīng)力對(duì)性能的影響
1. 機(jī)械性能
強(qiáng)度與韌性：內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低硬質(zhì)合金球的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。
疲勞壽命：內(nèi)應(yīng)力會(huì)加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。在交變應(yīng)力作用下，高應(yīng)力區(qū)域（如鈷相與WC晶粒界面）易成為疲勞源，導(dǎo)致疲勞壽命顯著降低。
2. 尺寸穩(wěn)定性
內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金球在存儲(chǔ)或使用過(guò)程中發(fā)生蠕變或尺寸變化。例如，未經(jīng)深冷處理的硬質(zhì)合金模具在加工過(guò)程中易因內(nèi)應(yīng)力釋放而變形，影響產(chǎn)品精度。
3. 耐磨性與耐腐蝕性
耐磨性：內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低硬質(zhì)合金球的耐磨性。應(yīng)力集中區(qū)域在摩擦過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋，加速材料磨損。
耐腐蝕性：內(nèi)應(yīng)力可能破壞合金表面的鈍化膜，降低其在腐蝕環(huán)境中的穩(wěn)定性。例如，在酸性介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕裂紋易沿高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)展。
三、內(nèi)應(yīng)力控制與優(yōu)化
1. 深冷處理技術(shù)
將硬質(zhì)合金球置于極低溫環(huán)境下進(jìn)行深冷處理，可顯著減少內(nèi)部應(yīng)力。其原理包括：
應(yīng)力釋放速率減緩：低溫環(huán)境下，原子擴(kuò)散速率降低，內(nèi)應(yīng)力釋放更均勻，減少裂紋萌生風(fēng)險(xiǎn)。
晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化：深冷處理可促使鈷相發(fā)生馬氏體相變逆轉(zhuǎn)變，消除相變應(yīng)力，同時(shí)細(xì)化WC晶粒，提高組織均勻性。
孔隙與裂紋減少：低溫收縮作用可閉合微觀(guān)孔隙，減少應(yīng)力集中源。例如，經(jīng)深冷處理的硬質(zhì)合金模具尺寸穩(wěn)定性提高，使用壽命延長(zhǎng)30%以上。
2. 工藝參數(shù)優(yōu)化
燒結(jié)溫度與時(shí)間：適當(dāng)提高燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間可促進(jìn)鈷相均勻分布，減少內(nèi)應(yīng)力。但需避免過(guò)燒導(dǎo)致晶粒粗化。
冷卻速率控制：采用分級(jí)冷卻工藝（如先快冷再緩冷）可降低熱應(yīng)力。
3. 材料成分設(shè)計(jì)
鈷含量調(diào)整：在保證強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)降低鈷含量可減少粘結(jié)相體積分?jǐn)?shù)，降低內(nèi)應(yīng)力水平。例如，YG6合金（鈷含量6%）的內(nèi)應(yīng)力低于YG8合金（鈷含量8%）。
添加劑引入：添加少量Ni、Cr等元素可提高鈷相的韌性，緩解應(yīng)力集中。例如，含Ni的硬質(zhì)合金在小應(yīng)力比加載時(shí)疲勞敏感性低于純鈷合金。
