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45鋼在高標準要求下作為高品質材料供貨，不允許組織中存在魏氏組織。對于魏氏組織的成因，從金屬材料的熱力學和動力學原理認為，加熱溫度過高或冷卻速度過快，導致亞共析鋼或過共析鋼在冷卻過程中，先共析的鐵素體或滲碳體從奧氏體晶界上沿著奧氏體的一定晶面向晶內生長而形成魏氏組織。過高的加熱溫度或過快的冷卻速度對于不同的鋼種具體是多少是不明確的。本文針對45鋼探討，加熱溫度對魏氏組織形成的影響，以及在高溫冷卻過程，實際形成魏氏組織的溫度區間。結合實際生產工藝改進，在生產過程中控制魏氏組織的形成。

1.試驗方法及內容 

1.1 試驗方法

(1）根據魏氏組織形成時的表面浮凸效應，利用Lasertec 激光共聚焦高溫顯微鏡三維成像，捕捉在高溫冷卻過程中，魏氏組織的形成過程。即魏氏組織的實時產生形態及實際形成溫度和時間。

(2）實驗室利用熱電偶測40mm×40mm 試樣，空冷冷卻速度大致為80℃～120℃/min，本試驗冷卻速度參考測定的空冷冷速，采用120℃/min。在實際生產的熱軋空冷過程中，鋼材的長度、規格以及環境溫度的影響等遠大于被測試樣，其空冷速度應比實驗室測定空冷速度小。本試驗方案研究了高溫冷卻形成魏氏組織的溫度區間，試驗結果可適用于生產。

1.2 工藝試驗    

試驗用的45鋼化學成分見表1。

試驗用試樣取自同一支樣，試樣尺寸Φ6mm×2.6mm，試樣均未侵蝕。

1.3 工藝方案    

本文所有工藝的冷速均低于淬火冷速。

1.3.1 第1組等溫冷卻工藝試驗    

加熱溫度：1050℃、1020℃、1000℃、980℃、950℃、900℃、880℃、870℃、860℃升溫均采用從室溫開始以300℃/min的速率升溫至700℃，然后以100℃/min 的速度升溫至試驗溫度并保溫30 min的加熱工藝；降溫則選取等溫冷卻工藝：以120℃/min 的速率降溫至727℃保溫10min→以120/min 的速率降溫至680保溫10 min→以180℃/min 的速率降溫至室溫。    

高溫冷卻過程中，組織的變化狀態圖見高溫實時組織轉變圖1～圖6。

等溫冷卻試驗可知：升溫階段，在870℃開始出現晶界明顯遷移，晶粒明顯長大。所有溫度冷卻至727℃（理論共析反應溫度點）等溫，有團狀組織生成，見圖2，但均無針狀組織形成；在1000 ℃以上保溫后冷卻至680℃（即過冷奧氏體的珠光體形成溫區）等溫，保溫僅需10多s，即析出針狀組織，一般單個針的完成析出用時3s左右。見圖3中1所示位置處。同時在圖3中2所示位置處有隱約針狀趨勢。對應圖3中2相應位置，可見在隨后連續冷卻至511℃時，隱針組織開始轉變成針狀組織，至481℃完成轉變，按試驗冷卻速度180℃/min 計算,隱針完成轉變為針狀組織時間約為10s。加熱至1000℃以下的某個溫度等溫冷卻，只在680℃析出針狀組織。

1.3.2 第2組連續冷卻工藝試驗    

試驗溫度選?。?020℃、950℃、880℃連續降溫以60℃/min 的速率冷卻至室溫高溫連續冷卻，針狀組織形成圖見圖7～圖9。

從連續冷卻試驗可知：從較低加熱溫度880℃連續冷卻，在649℃開始析出針狀組織，至642℃析出完成；從較高加熱溫度950℃連續冷卻，在675℃開始析出，至667℃完成析出；從高的加熱溫度1020℃連續冷卻，在680℃開始析出，至658℃完成析出，析出的針狀組織較多，且針大多很粗長，如圖9中數字位置所示，針狀組織先后析出。所有加熱溫度下單個針完成析出用時約6s，高的加熱溫度下，全部針最后完成析出用時22s。

1.3.3 第3組工藝    

根據第1、2組工藝試驗結果，結合現有生產工藝，選取加熱溫度880℃、860℃探討冷卻速度對形成魏氏組織的影響。 

從880℃以30℃/min 和60℃/min 的緩慢冷速→冷卻至680℃保溫10min→然后以180 ℃/min 的速率冷卻至室溫。 

從860℃以200℃/min 的快速冷卻速度→冷卻至680℃保溫10min→然后以180℃/min 的速率冷卻至室溫。    

兩種工藝下的高溫組織見圖10～圖11。

從冷卻速度試驗可知：880℃以上，即使冷卻速度降到極低，也有針狀組織形成，冷速越大，形成的針狀組織越多，見圖10。860℃以下，即使冷卻速度升到很高（低于淬火冷速），也沒有針狀組織形成，見圖11。

2.結果分析

關于魏氏組織的形成機理，學術上比較著名的有三種理論：貝氏體切變理論、類馬氏體相變理論以及成核和長大擴散型理論。這三種理論均是基于魏氏體針狀組織的表面浮凸效應進行論證。本文同樣根據魏氏組織形成的浮凸效應，在高溫金相試驗中，試樣全部在拋光狀態，不經過腐蝕顯示組織，利用激光三維成像，實時真實地呈現針狀組織的形成過程，所有針的形成均伴有浮凸效應。利用高溫激光共聚焦顯微鏡，可以真實、實時地觀察到“針”從開始出現到析出完成的全過程以及相應的溫度、時間點。   

根據45鋼高溫金相組織轉變試驗結果可得出以下結論：

（1）加熱溫度高于860℃，冷卻過程中均形成魏氏組織，加熱溫度越高，形成魏氏針狀組織越多，針越粗長。

（2）在等溫冷卻方式下45鋼于680℃保溫時形成魏氏組織。如果加熱溫度大于1000℃，則從680℃繼續冷卻至511℃時，隱針開始生成細針狀魏氏組織；在連續冷卻方式下，魏氏組織開始形成的溫度隨加熱溫度降低略有降低。如果加熱溫度在1000 ℃以上，則魏氏組織開始形成溫度為680℃。隨加熱溫度的降低，魏氏組織的形成溫度降低5 ℃～30 ℃左右。

（3）魏氏組織中單個針從開始析出到完成一般只需6s左右，加熱溫度大于1000℃，多個針完全生成一般需20s以上。

工藝方案的設計側重于模擬攀長特公司現有的連軋、初軋生產工藝。試驗中的加熱溫度對應于實際生產的終軋溫度。針對魏氏組織形成的兩個因素——加熱溫度過高、冷卻速度過快考慮，冷卻速度在實際生產中對魏氏組織的形成不起主導作用。這是因為實際生產的熱軋空冷過程中，鋼材的長度、規格以及環境溫度的影響等遠大于被測試樣，其空冷速度應比試驗用冷卻速度的小的多，不可能形成生產中因冷速過快導致魏氏組織生成現象。因此在試驗選取的冷卻速度下，研究高溫冷卻形成魏氏組織的溫度區間，試驗結果完全可適用于生產；但在熱軋空冷過程中，要避開680 ℃～500 ℃這個形成魏氏組織的溫度區間，在現有的裝備條件下，幾乎不大可能實現。生產中要減少45 鋼中的魏氏組織，比較有效的方式是從下調終軋溫度著手，即必須下調加熱溫度。攀長特公司連軋廠現有的軋制工藝：加熱溫度為1050℃ ，終軋溫度在880℃～950 ℃之間；初軋加熱溫度為1220 ℃～1250 ℃ ；關于終軋溫度，一般小規格為850℃ ～950℃左右、大規格為950℃～1000℃左右。從本文的3組工藝試驗結果來看，攀長特公司連軋廠和初軋廠現有工藝下的終軋溫度均會導致魏氏組織的形成，終軋溫度越高，形成的針量越多且針越粗大，魏氏組織的級別越高。

生產過程中要控制魏氏組織的形成，必須將終軋溫度控制在860℃及以下，按此工藝倒推，即降低軋制的加熱溫度。連軋廠生產從加熱軋制到終軋，根據成材規格，溫度降低大致100℃～150℃，將終軋溫度控制在860℃及以下，并調整加熱溫度至1000℃左右比較合理可行。對比初軋廠的軋制工藝，影響終軋溫度的因素包括加熱后傳遞和軋制兩個過程，在傳遞過程中根據規格大小，降溫在100℃～150℃左右。軋制根據軋制道次，降溫在100 ℃～150 ℃左右，目前，為保證透燒，加熱溫度一般使用1 250 ℃。為控制和改善魏氏組織，加熱溫度必須下調。根據軋制規格，下調100℃～150 ℃左右。從目前的工裝看，為確保終軋溫度控制在860℃，倒推加熱溫度調整至1200℃～1150℃比較合理。為了保證透燒，建議能通過降低加熱溫度，延長加熱保溫時間予以實現。

3.結論

(1) 利用激光共聚焦高溫顯微鏡研究45鋼高溫組織轉變，可以完整呈現魏氏組織形成的浮凸效應。

(2) 加熱溫度高于860 ℃，45鋼在冷卻時形成魏氏組織。

(3) 45鋼魏氏組織一般在680 ℃～650 ℃開始析出，單個針完成析出用時2s～6 s，加熱溫度越高，析出的溫度較高，析出過程較長，形成的針狀組織量越多且針更粗長。

(4) 加熱1000℃以上，針狀組織析出分兩階段完成，在680℃等溫，析出針狀組織，一般析出在3s以內結束，同時有隱針形成趨勢，隨后連續冷卻至511℃，隱針組織開始轉變成針狀組織，隱針完成析出用時10 s左右。

(5) 生產過程中要控制45鋼魏氏組織含量，應在合理的加熱溫度下確保終軋溫度控制在860 ℃以下，方能保證在終軋后冷卻過程中抑制魏氏組織的析出。