1、化學成分

2、鍛造工藝

如圖1所示，加熱后的鋼錠經過壓鉗把、墩粗、拔長等一系列鍛造工藝加工成半成品毛坯狀態。

圖1 鍛造加熱工藝曲線

鍛造完成后的毛坯熱處理工藝按照圖2所示執行。

圖2 鍛后熱處理工藝曲線

3、車床加工

將毛坯主軸放置到車床上進行扒皮加工，完全去除掉毛坯態的氧化表皮，根據圖紙要求扒皮見光，為后續調質熱處理做準備。

4、調質處理

產品最終熱處理工藝為調質處理，工藝曲線如圖3所示。

圖3 調質處理工藝曲線

5、取樣檢測

調質處理完成后在每個產品試樣區處分別取樣，取樣位置如圖4所示。

圖4 取樣位置示意圖

6、試驗結果

拉伸和沖擊試驗結果如表2所示，試驗依據標準分別為GB/T 228.1-2010和GB/T 229-2007。

表2 拉伸和沖擊試驗結果

在圖4所示位置取硬度試樣，硬度試驗結果如表3所示，試驗依據標準為GB/T 231.1-2009。

表3 硬度檢驗結果

在圖4所示位置取金相試樣，檢驗其軸向剖面。

圖5 顯微組織形貌

1~8號試樣的顯微組織基本相同，均為回火索氏體＋粒狀貝氏體回火組織，如圖5所示。

圖6 晶粒形貌

根據GB/T 6394-2017中的比較法評級得出1~8號試樣的鐵素體晶粒度均為7.0級，如圖6所示。

1、分析

(1)針對表2中力學性能試驗結果進行數據分析，可見該批產品的最終拉伸和沖擊性能數值全部合格，基本能滿足技術要求。但根據對表2數據的分析可以判斷：抗拉強度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z遠遠高于技術要求，處于該產品質量安全可控等級；屈服強度Rp0.2稍高于技術要求，處于該產品質量安全風險等級；沖擊吸收能量平均值稍高于技術要求，但存在單個值偏低的情況，數值波動較大，存在嚴重的質量風險。

(2)為了消除已存在的嚴重質量風險，根據現存的狀況，分析得出亟需解決的問題是如何提高沖擊吸收能量，因此提高工件的沖擊韌性是關鍵。

(3)傳統方法是通過合金化方法來設計強韌性水平更高的材料。提高鋼韌性的有效途徑有：①細化奧氏體晶粒；②提高鋼的回火穩定性；③改善基體韌性；④細化碳化物；⑤提高冶金質量。

(4)釩元素在鋼中所起的作用主要是細化鋼的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性。在高溫時把釩溶入奧氏體能增加鋼的淬透性。此外，釩能增加淬火鋼的回火穩定性，并產生二次硬化效應釩作為強的碳化物形成元素和沉淀硬化劑，使鋼材在高溫下有較高的強度和抗沖擊、耐腐蝕及可焊性。沉淀強化作用取決于釩的加入量和沉淀相的顆粒尺寸。顆粒越細小，強化作用越大。VC和VN溶解度相差很大，VN的固溶度相比VC的要小兩個數量級，因此氮在釩鋼中起著決定性作用。低碳、鉻、鎳等元素含量(18％以下)有利于板條馬氏體的形成，再配合以鉬、鈦、釩、鈮、鋯等元素，形成細小、彌散分布且不易破碎的第二相粒子，既有利于提高材料的強度，也有利于保證材料具有足夠的斷裂韌性。

(5)釩在一些合金鋼中的含量見表4。

表4 釩在一些合金鋼中的含量(質量分數)

2、討論

1、化學成分

根據產品升級需求，采購鋼錠的材料中加入了釩元素，其含量控制在0.15％~0.20％，試驗產品材料的化學成分如表5所示。

表5 升級后試驗材料的化學成分(質量分數)%

2、拉伸和沖擊性能

表6 升級后拉伸和沖擊試驗結果

材料中加入釩元素后，產品拉伸和沖擊試驗結果如表6所示，可見材料中加入釩元素后屈服強度和沖擊韌性都有較大的提高，不僅數值更穩定，而且遠大于技術要求。

3、硬度

在材料中加入釩元素后的硬度試驗結果如表7所示。

表7 升級后硬度試驗結果

4、顯微組織

在材料中加入釩元素后的顯微組織形貌如圖7所示，9~16號試樣的顯微組織均為回火索氏體＋粒狀貝氏體回火組織。

圖7 升級后顯微組織形貌

根據GB/T 6394-2017中的比較法評級得出9~16號試樣的鐵素體晶粒度均為8.5級，如圖8所示。

圖8 升級后晶粒形貌

5、分析與討論

(1)粗大的晶粒會降低主軸的解理斷裂強度，使疲勞裂紋擴展速率增大，最終會導致主軸發生早期疲勞斷裂。晶粒細小的鋼材，裂紋在擴展過程中會頻繁改變斷裂路徑，提高主軸抵抗解理斷裂的能力，從而具有良好的低溫韌性。

(2)釩、鈦、鈮等微合金元素均有細化晶粒的效果，微合金元素在鋼中容易形成碳化物、氮化物或碳氮化合物等第二相，第二相可在冶煉鋼錠中形成，也可在鍛造或軋制過程中析出。該第二相在鍛造或軋制的熱變形過程中可對組織起到“釘扎”作用，且這些第二相在再結晶過程中又可作為晶粒形核的“核心”，從而起到細化晶粒的效果。