试验材料与方法
试验用材料为国内某钢厂生产的GCr15 轴承钢铸坯和线材，其化学成分如表1 所示。
研究的重点是铸坯和线材在从奥氏体化温度冷却的过程中魏氏组织和晶内针状铁素体形成的机制，设定的铸坯和线材从900℃冷却的速率如图1 所示。采用高温激光共聚焦显微镜（high-temperature confocal laser microscope, HT-CLSM）对冷却过程中的组织转变进行原位检测，记录GCr15 钢的组织转变及第二相粒子与组织的交互作用，并截取图像利用ImageJ软件测定夹杂物的直径（夹杂物近似圆形），随后采用Origin 软件统计夹杂物的尺寸分布。
试验结果与分析
2.1 冷却过程中的组织转变
如图3所示，2号铸坯试样在冷却至800℃左右时有魏氏组织在奥氏体晶界形成，随着温度的下降，还有新的魏氏组织形核和长大；在冷却至760℃左右时有晶内针状铁素体在第二相粒子上形核，并随着温度的进一步降低而单向长大；在720℃左右又有新的晶内针状铁素体形成，并单向和双向长大；冷却至660℃以下，没有新的晶内针状铁素体产生。
原位检测后采用扫描电子显微镜对铸坯试样中的第二相进行了形貌和成分检验，确定该相为Al2O3，如图4所示。有研究表明，能促进晶内针状铁素体形成的夹杂物大多是复杂的多相夹杂物，具有独特的化学和物理性质，能促进晶内针状铁素体形成。然而，本文试验发现，Al2O3也能显著增加晶内针状铁素体的形核数量。
3 号线材试样的原位检测结果如图5所示。图5表明，在以30℃/min 的速率从900℃冷却至600℃的过程中，线材中有Al2O3夹杂物形成。冷却至700℃左右时，有大量晶内针状铁素体在Al2O3 夹杂物上形核并长大；冷却至670 ℃时，晶内针状铁素体不再长大；线材中未形成魏氏组织。HT-CLSM 和扫描电子显微镜检验均表明，有晶内针状铁素体在Al2O3夹杂物上形成，如图6所示。
3号线材试样中Al2O3 夹杂物的尺寸分布如图7(a)所示。Al2O3 夹杂物大多为小颗粒状，尺寸小于3μm，最大为15μm。截取3号线材试样的原位检测图像，利用ImageJ 软件测定了原位观察区内能诱导晶内针状铁素体形核的Al2O3 夹杂物尺寸，结果如图7(b)所示，可见能诱导晶内针状铁素体形核的Al2O3 夹杂物尺寸均小于6μm。将难以精确测定尺寸的Al2O3夹杂物认定为小于1μm，极小（小于1μm）尺寸的Al2O3 夹杂物诱导铁素体形核的概率最大。大于3μm 的Al2O3夹杂物诱导晶内针状铁素体形核的效果会随着其尺寸的增大而变差，尺寸大于6μm的Al2O3 夹杂物不会诱导晶内针状铁素体形成。
铸坯和线材中晶内针状铁素体的长大方式如图8所示。图8(a)表明，晶内针状铁素体没有取向差角，单向平直长大；图8(b)表明，晶内针状铁素体有大角度取向差角；图8(c)表明，晶内针状铁素体有反向生长模式。晶内针状铁素体还有如图8(d)所示的多分枝取向长大模式。
总之，GCr15 钢铸坯和线材中晶内针状铁素体的长大方式有多种，还会相互碰撞和交织形成互锁（Interlock）结构。
2.2 组织转变机制
在以30℃/min 的速率从900℃冷却至600℃的过程中，1 号、2 号铸坯中均有魏氏组织在奥氏体晶界形成，而3号线材无魏氏组织形成。魏氏组织的产生不仅受冷却速率的影响，钢的化学成分和奥氏体晶粒度也有影响，本文试验结果表明，奥氏体晶粒尺寸对魏氏组织形成的影响更明显。1号、2号铸坯和3号线材原位检测结果的对比如图9 所示，用黄色线段显示奥氏体晶界，铸坯中奥氏体晶粒平均尺寸为237μm，线材中为145μm，较大的奥
氏体晶粒尺寸会使铁原子难以充分扩散，导致铸坯以较低速率冷却时也能产生魏氏组织。而线材中的奥氏体晶粒较小，未形成魏氏组织。
2.3 组织对钢性能的影响
结论
（1）在以30℃/min 的速率从900℃冷却至600℃的过程中，GCr15 轴承钢铸坯中奥氏体晶粒的平均尺寸为237μm，线材中为145μm；铸坯中形成了魏氏组织，线材中未形成魏氏组织。
（2）GCr15钢铸坯和线材以30℃/min 的速率从900℃冷却至600℃的过程中均有晶内针状铁素体在尺寸小于6μm的Al2O3 夹杂物上形成。
（3）GCr15 钢奥氏体晶粒度对魏氏组织形成的影响比冷却速率的影响更明显；在Al2O3夹杂物上形成晶内针状铁素体受多种因素的影响，小尺寸Al2O3 夹杂物能诱导钢中晶内针状铁素体形成。
来源：热加工论坛