1、化学成分

2、锻造工艺

如图1所示，加热后的钢锭经过压钳把、墩粗、拔长等一系列锻造工艺加工成半成品毛坯状态。

图1 锻造加热工艺曲线

锻造完成后的毛坯热处理工艺按照图2所示执行。

图2 锻后热处理工艺曲线

3、车床加工

将毛坯主轴放置到车床上进行扒皮加工，完全去除掉毛坯态的氧化表皮，根据图纸要求扒皮见光，为后续调质热处理做准备。

4、调质处理

产品最终热处理工艺为调质处理，工艺曲线如图3所示。

图3 调质处理工艺曲线

5、取样检测

调质处理完成后在每个产品试样区处分别取样，取样位置如图4所示。

图4 取样位置示意图

6、试验结果

拉伸和冲击试验结果如表2所示，试验依据标准分别为GB/T 228.1-2010和GB/T 229-2007。

表2 拉伸和冲击试验结果

在图4所示位置取硬度试样，硬度试验结果如表3所示，试验依据标准为GB/T 231.1-2009。

表3 硬度检验结果

在图4所示位置取金相试样，检验其轴向剖面。

图5 显微组织形貌

1~8号试样的显微组织基本相同，均为回火索氏体＋粒状贝氏体回火组织，如图5所示。

图6 晶粒形貌

根据GB/T 6394-2017中的比较法评级得出1~8号试样的铁素体晶粒度均为7.0级，如图6所示。

1、分析

(1)针对表2中力学性能试验结果进行数据分析，可见该批产品的最终拉伸和冲击性能数值全部合格，基本能满足技术要求。但根据对表2数据的分析可以判断：抗拉强度Rm、断后伸长率A、断面收缩率Z远远高于技术要求，处于该产品质量安全可控等级；屈服强度Rp0.2稍高于技术要求，处于该产品质量安全风险等级；冲击吸收能量平均值稍高于技术要求，但存在单个值偏低的情况，数值波动较大，存在严重的质量风险。

(2)为了消除已存在的严重质量风险，根据现存的状况，分析得出亟需解决的问题是如何提高冲击吸收能量，因此提高工件的冲击韧性是关键。

(3)传统方法是通过合金化方法来设计强韧性水平更高的材料。提高钢韧性的有效途径有：①细化奥氏体晶粒；②提高钢的回火稳定性；③改善基体韧性；④细化碳化物；⑤提高冶金质量。

(4)钒元素在钢中所起的作用主要是细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。在高温时把钒溶入奥氏体能增加钢的淬透性。此外，钒能增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应钒作为强的碳化物形成元素和沉淀硬化剂，使钢材在高温下有较高的强度和抗冲击、耐腐蚀及可焊性。沉淀强化作用取决于钒的加入量和沉淀相的颗粒尺寸。颗粒越细小，强化作用越大。VC和VN溶解度相差很大，VN的固溶度相比VC的要小两个数量级，因此氮在钒钢中起着决定性作用。低碳、铬、镍等元素含量(18％以下)有利于板条马氏体的形成，再配合以钼、钛、钒、铌、锆等元素，形成细小、弥散分布且不易破碎的第二相粒子，既有利于提高材料的强度，也有利于保证材料具有足够的断裂韧性。

(5)钒在一些合金钢中的含量见表4。

表4 钒在一些合金钢中的含量(质量分数)

2、讨论

1、化学成分

根据产品升级需求，采购钢锭的材料中加入了钒元素，其含量控制在0.15％~0.20％，试验产品材料的化学成分如表5所示。

表5 升级后试验材料的化学成分(质量分数)%

2、拉伸和冲击性能

表6 升级后拉伸和冲击试验结果

材料中加入钒元素后，产品拉伸和冲击试验结果如表6所示，可见材料中加入钒元素后屈服强度和冲击韧性都有较大的提高，不仅数值更稳定，而且远大于技术要求。

3、硬度

在材料中加入钒元素后的硬度试验结果如表7所示。

表7 升级后硬度试验结果

4、显微组织

在材料中加入钒元素后的显微组织形貌如图7所示，9~16号试样的显微组织均为回火索氏体＋粒状贝氏体回火组织。

图7 升级后显微组织形貌

根据GB/T 6394-2017中的比较法评级得出9~16号试样的铁素体晶粒度均为8.5级，如图8所示。

图8 升级后晶粒形貌

5、分析与讨论

(1)粗大的晶粒会降低主轴的解理断裂强度，使疲劳裂纹扩展速率增大，最终会导致主轴发生早期疲劳断裂。晶粒细小的钢材，裂纹在扩展过程中会频繁改变断裂路径，提高主轴抵抗解理断裂的能力，从而具有良好的低温韧性。

(2)钒、钛、铌等微合金元素均有细化晶粒的效果，微合金元素在钢中容易形成碳化物、氮化物或碳氮化合物等第二相，第二相可在冶炼钢锭中形成，也可在锻造或轧制过程中析出。该第二相在锻造或轧制的热变形过程中可对组织起到“钉扎”作用，且这些第二相在再结晶过程中又可作为晶粒形核的“核心”，从而起到细化晶粒的效果。