Как известно, скорость охлаждения вообще является существенным моментом при формировании структур стали. Формирование игольчатых структур связано с ускоренным охлаждением.

Тема игольчатого феррита в учебниках по металловедению освещена плохо. Ее как-то обходят при описании. В известном учебнике Гуляева сказано только, что структура игольчатого феррита получается при быстром охлаждении, и по внешнему виду она похожа на бейнит. Твердость игольчатого феррита на 100-150 НВ выше твердости полиэдрического феррита. Такое увеличение твердости связано с формированием структуры мартенситного типа. Это наблюдается для практически безуглеродистых сталей, содержащих менее 0,02 %С, легированных хромом, марганцем, никелем.
В соответствии с данными известной «Металлографии железа» имеется три типа игольчатых структур различной морфологии:
1. Верхний бейнит, который состоит из феррита, содержащего карбидные частицы, вытянутые в направлении оси ферритной пластинки;
2. Нижний бейнит, который состоит из феррита, содержащего параллельные ряды небольших карбидных частиц, образующих с осью ферритной пластинки угол приблизительно 60°;
3. Структуры, состоящие из больших пластинок феррита, ограниченные скоплениями карбидов; они соответствуют игольчатому или пластинчатому ферриту Портевена, Х-составляющей Давенпорта и безкарбидному ферриту.
Верхний бейнит. Верхний бейнит образуется при промежуточных температурах бейнитного превращения. В сталях приблизительно эвтектоидного состава бейнит встречается в виде феррито-цементитной смеси, причем цементит образуется в виде небольших стержней, которые заметно отличаются от перлитных пластин. Предполагается, что феррит, который образуется первым, растет в виде игл и снабжает соседний аустенит избыточным углеродом, давая начало цементиту, КОТорый выделяется из аустенита. Затем ферритная ячейка растет в поперечном направлении за счет обедненного углеродом аустенита. После этого начинает расти новая ферритная игла по соседству с первой и т. д. Структура верхнего бейнита грубее, чем та структура, которую может иметь перлит, образовавшийся при высоких температурах.
На рис.1 показаны примеры бейнитных структур.

а	б

Рисунок 1. Игольчатые структуры: а - верхний бейнит в стали состава 0,4%С, 1,98 %Mn. Термическая обработка: 850 ^оС, 475 ^оС, 30с., закалка в воде, отпуск при 160 ^оС; б - начало бейнитного превращения (по материалам книги «Металлография железа», в 3-х т.).

Нижний бейнит. Нижний бейнит образуется при низких температурах изотермического бейнитного превращения. Пластинки его гораздо тоньше, чем пластинки описанных выше структур.
Игольчатый феррит и безуглеродистый бейнит. Это структуры видманштеттового типа. Игольчатый феррит окружен карбидными скоплениями или оболочкой остаточного аустенита различной толщины. В результате этого в обедненных углеродом аустенитных областях образуются продолговатые пластины феррита, как и в случае верхнего бейнита, но имеющие большие начальные размеры. Пластины довольно быстро растут и обычно простираются от одной границы аустенитного зерна до другой.
Иглы видманштетта ориентированы в нескольких определенных направлениях относительно решетки исходной фазы. Более определенно термин «видманштеттова структура» применяется для игольчатого феррита, ориентированного вдоль октаэдрических плоскостей исходного аустенита и полученного путем быстрого охлаждения от температуры выше А₃.
Пример формирования видманштеттовой структуры в области сварного шва показан на рис. 2. Более подробно про видманштетт написано на этом сайте в отдельной статье.

Рисунок 2. Видманштеттова структура в сварном шве.

Рисунок 3. Игольчатый феррит по границам первичных аустенитных зерен в стали 1060 (0,60 % углерода; (steel-guide.ru)

Иглообразный феррит по границам зерен показан на рис. 3. В этой микроструктуре белая игольчатая фаза – это феррит, а серые поля – это мартенсит. Аналогичная структура показана на рис. 4 для стали 45; верхний бейнит и мартенсит.

Рисунок 4. Игольчатые структуры в стали 45; закалка, отпуск.

Образование игольчатых структур (феррита) демонстрируют рис.5. После упрочнения поверхности наплавкой исходило охлаждение образца «на массу». При этом в определенном участке структуры за пределами диффузионной зоны скорость охлаждения позволила формирование игольчатой фазы. Примеры игольчатого феррита показаны также на рис. 6. Структуры на рис. 5 и 6 – это уже ближе к видманштетту; фазы – феррит и перлит.

Рисунок 5. Иглы феррита в стали 45; зона термического влияния при наплавке Fe-Ti.

Рисунок 6. Иглы феррита, образовавшиеся при различных режимах охлаждения в воде.