硬質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）等為粘結劑，通過粉末冶金工藝燒結而成的球狀製品。其內應力的形成主要源於材料製備過程中微觀組織的不均勻性，具體機制及影響如下：
一、內應力形成機制
1. 熱膨脹係數差異
在燒結過程中，鈷（Co）粘結劑與碳化鎢（WC）基體的熱膨脹係數存在顯著差異。當材料從高溫冷卻至室溫時，由於兩者收縮速率不同，會在介面處產生殘餘應力。這種應力在硬質合金球中表現為鈷相的拉應力與碳化鎢相的壓應力，且應力絕對值隨相體積百分數的減少而增大。
2. 晶粒尺寸效應
WC晶粒度：WC晶粒尺寸的變化會直接影響各相的熱應力分佈。例如，WC晶粒度增加會導致鈷相中拉應力降低，而WC晶粒內部壓應力增大。
鈷層厚度：鈷含量越高，粘結相的平均自由程（鈷層厚度）越大，合金的矯頑磁力越小，內應力分佈越不均勻。細晶粒合金因晶界面積大，內應力釋放速率較慢，殘餘應力水準通常高於粗晶粒合金。
3. 相變與組織不均勻性
燒結過程中可能出現的相變（如γ-Co向ε-Co轉變）或組織不均勻性（如鈷相偏聚）會進一步加劇內應力。例如，鈷相在燒結冷卻時的馬氏體相變會產生體積變化，導致局部應力集中。
二、內應力對性能的影響
1. 機械性能
強度與韌性：內應力會降低硬質合金球的抗彎強度和斷裂韌性。
疲勞壽命：內應力會加速疲勞裂紋的萌生與擴展。在交變應力作用下，高應力區域（如鈷相與WC晶粒介面）易成為疲勞源，導致疲勞壽命顯著降低。
2. 尺寸穩定性
內應力會導致硬質合金球在存儲或使用過程中發生蠕變或尺寸變化。例如，未經深冷處理的硬質合金模具在加工過程中易因內應力釋放而變形，影響產品精度。
3. 耐磨性與耐腐蝕性
耐磨性：內應力會降低硬質合金球的耐磨性。應力集中區域在摩擦過程中易產生微裂紋，加速材料磨損。
耐腐蝕性：內應力可能破壞合金表面的鈍化膜，降低其在腐蝕環境中的穩定性。例如，在酸性介質中，應力腐蝕裂紋易沿高應力區域擴展。
三、內應力控制與優化
1. 深冷處理技術
將硬質合金球置於極低溫環境下進行深冷處理，可顯著減少內部應力。其原理包括：
應力釋放速率減緩：低溫環境下，原子擴散速率降低，內應力釋放更均勻，減少裂紋萌生風險。
晶體結構優化：深冷處理可促使鈷相發生馬氏體相變逆轉變，消除相變應力，同時細化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孔隙，減少應力集中源。例如，經深冷處理的硬質合金模具尺寸穩定性提高，使用壽命延長30%以上。
2. 工藝參數優化
燒結溫度與時間：適當提高燒結溫度或延長保溫時間可促進鈷相均勻分佈，減少內應力。但需避免過燒導致晶粒粗化。
冷卻速率控制：採用分級冷卻工藝（如先快冷再緩冷）可降低熱應力。
3. 材料成分設計
鈷含量調整：在保證強度的前提下，適當降低鈷含量可減少粘結相體積分數，降低內應力水準。例如，YG6合金（鈷含量6%）的內應力低於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，緩解應力集中。例如，含Ni的硬質合金在小應力比載入時疲勞敏感性低於純鈷合金。
