机械工程材料（第六版）课件 第六章 铸铁

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1/20说明：本页为章节导入页，后续页面按知识点展开，并预留教材原图/表格位置。第6章铸铁材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》理解灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁的组织一性能一用途关系；石墨形态对性能的决定作用

基体组织与热处理的协同影响

不同铸铁的典型应用场景机械工程材料课程教学PPT

本章知识结构铸铁概述与分类石墨化及影响因素掌握石墨化影响因素、代号与牌号表示方法；了解典型铸铁的热处理特点与工程应用。理解铸铁的定义、分类及石墨化本质；图6-0章节导入图(后续自行替换)球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁与合金铸铁本章教学目标建议课堂关注铸铁代号与牌号灰铸铁石墨形态是理解铸铁性能差异的核心

白口—灰口—麻口的差异源于石墨化程度不同

本章后续重点围绕灰铸铁和球墨铸铁展开课堂提示生铁是高炉冶炼得到的铁产品；含硅量较少者多用作炼钢原料，含硅量较多者为铸造生铁。铸造生铁经重新熔炼并浇注成形后得到用于生产铸件的铁基合金，称为铸铁。铸铁在凝固过程中经历共晶转变，其组织与性能与石墨形态密切相关。铸铁中的碳、硅、锰以及硫、磷等杂质元素通常高于碳钢。基本概念

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2/20铸铁的概述与分类材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》加入Cr、Cu、AI、B等元素，以满足耐磨、耐热、耐蚀等特殊要求。碳大部分或全部以石墨形式析出；应用最广。定义、特点与基本分类按碳的存在形式分类图6-1铸铁分类示意(后续替换)灰白相间，工业上较少使用。部分为渗碳体，部分为石墨；硬度高、脆性大、难切削。碳主要以渗碳体形式存在；白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁合金铸铁图6-3石墨形态与性能关系示意(后续替换)石墨具有六方晶格，碳原子呈层状排列；同层内原子结合力强，层间结合力弱，因此石墨易沿层间滑移，强度、塑性和韧性极低，硬度也较低。①

石墨晶体结构3

对性能的影响降低抗拉强度与塑性韧性

有利于减振、减摩和切削加工影响铸件收缩与铸造性能不同石墨形态决定不同铸铁类型3

石墨化与石墨晶体结构铸铁中碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。石墨的存在形态——形状、数量、大小及分布——是决定铸铁组织与性能的关键。教学提醒：后续学习中要始终从“石墨形态+基体组织”两个维度分析性能。材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》哈尔滨理工大学

机械工程材料石墨化本质与性能影响②什么是石墨化图6-2石墨晶体结构(后续替换)3/20图6-4铁碳合金双重相图(后续替换)第一阶段充分、第二阶段部分：形成铁素体/珠光体基体灰铸铁；石墨化不足：易得麻口或白口组织。最终组织的典型结果两个阶段均充分：形成灰口组织；P'S'K'线以上进行，包括液相中一次石墨、共晶石墨及奥氏体中二次石墨的形成。A

第一阶段石墨化描述铁碳合金结晶过程时，既可采用亚稳定平衡的

Fe-Fe3C

相图，也可采用稳定平衡的

Fe-C(石墨)相图；两者叠合后可形成铁碳合金双重相图，用于分析石墨化规律。4

石墨化过程与铁碳合金双重相图P'S'K

'线以下进行，主要涉及共析石墨及由渗碳体分解产生的石墨。材料组织与性能基础

|

教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》

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机械工程材料说明：本页为章节导入页，后续页面按知识点展开，并预留教材原图/表格位置。稳定系与亚稳定系的理解第二阶段石墨化4/20C

、Si:

强烈促进石墨化；含量提高更易获得灰口组织，但过高会使石墨过多、过粗，降低性能。S、Mn:总体上S阻碍石墨化并使白口化；Mn可与S

形成MnS,减弱S的危害。P:微弱促进石墨化并提高流动性，但磷共晶体硬而脆，过高会降低强度并增加冷裂倾向。

化学成分因素冷却越慢，越有利于碳原子扩散和石墨析出。铸件壁厚、浇注温度、铸型材料都会影响冷却速度。冷却越快，越易形成渗碳体和白口组织。冷却速度因素通过调节C

、Si含量与冷却速度控制组织。薄壁件、低C低Si更易白口化。成分设计与工艺设计必须协同考虑。

工程调控思路结

论

：调整碳硅含量与冷却速度，是控制铸铁组织和性能的核心手段。哈尔滨理工大学|机械工程材料

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影响石墨化的主要因素材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》成分、冷却速度与工艺条件铸铁成分和冷却速度（铸件壁厚）对铸铁组织的影响如图所示。6

铸铁的代号与牌号表示方法以化学成分表示：元素符号后跟名义含量。力学性能与化学成分并用时，力学性能在前，合金元素在后。材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》以力学性能表示：如只写一组数字，通常表示抗拉强度；两组数字时，前者为抗拉强度，后者为伸长率。QT400-18QTANi20Cr2HT250

BTMCr18Mn3W2

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机械工程材料基本代号、特殊性能与表示规则说明：本页重点帮助学生看懂教材中的牌号和标准表。2特殊性能/特殊工艺代号3牌号表示规则耐磨：M;耐热：R;

耐蚀：S等温淬火球墨铸铁：QTD连续铸造灰铸铁型材：HTLZ1

基本代号4

示

例蠕墨铸铁：RuT球墨铸铁：QT可锻铸铁：KT白口铸铁：BT灰铸铁：

HT6/20铸铁分类名称代号牌号实例灰铸铁灰铸铁HTHT250灰铸铁奥氏体灰铸铁HTAHTANi20Cr2球墨铸铁球墨铸铁QTQT400-18球墨铸铁等温淬火球墨铸铁QTDQTD900-8蠕墨铸铁蠕墨铸铁RuTRuT420可锻铸铁黑心可锻铸铁KTHKTH350-10白口铸铁耐磨白口铸铁BTMBTMCr18Mn3W2

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7/20说明：表中牌号为教学常用或典型示例，具体牌号、化学成分及力学性能应以标准(如GB/T9439、GB/T5612、GB/T

1348等)为准。7

铸铁分类、名称、代号及牌号举例再区分特殊性能或特殊工艺最后结合牌号数字判断性能等级材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》教材标准表的课堂化整理图6-7教材表格对应原图位置(后续替换)先看分类，再看基本代号读表提示灰铸铁性能分析要抓住“片状石墨削弱基体连续性”这一根本原因。

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灰铸铁的成分、组织和性能抗拉强度较低，塑性、韧性差抗压强度和硬度主要取决于基体减振、减摩、切削加工性能好

铸造性能好、缺口敏感性低灰铸铁可看作“碳钢基体+片状石墨”。按基体组织不同，可分为铁素体基体、

铁素体/珠光体基体和珠光体基体wC≈2.5%～4.0%wSi≈1.0%～3.0%

wMn≈0.5%～1.4%

wP≤0.3%,wS≤0.15%材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》

典型化学成分片状石墨灰铸铁的基础认知

组织特点性能特征灰铸铁。对比项目普通灰铸铁孕育铸铁图6-10孕育处理对组织/硬度影响示意(后续替换)定义/处理方式铁液不经孕育处理浇注前加入孕育剂原始铁液成分特点常为低强度灰铸铁；C、Si较高获得大量人工晶核石墨形态石墨片较粗大石墨更细小均匀组织均匀性组织和性能均匀性较差组织和性能均匀性更好强度与硬度强度与硬度较低强度、硬度更高适用场景不宜厚壁大件；适用于受力较小、形状复杂的中小件。适用于床身、凸轮轴、气缸体等较重要铸件。教学总结

孕育处理的本质：细化石墨和基体组织，从而提升灰铸铁综合性能。说明：本页为普节导入页，后续页面按知识点展开，并预留教材原图/表格位置。

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普通灰铸铁与孕育铸铁材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》孕育处理对组织与性能的改善

常用灰铸铁牌号与用途举例牌号典型用途举例HT200承受载荷小、无特殊摩擦磨损要求的零件，

如防护罩、盖、油盘、支架等HT250机座、支架、箱体、床身、轴承座、工作台、

阀体等HT300/HT350要求较高强度、耐磨性和气密性的零件，如气缸体、气缸套、活塞环、齿轮箱、床身等热处理主要改变基体组织，不能改变石墨形状、数量、大小和分布。常用目的：消除应力、消除白口、改善切削加工性能、稳定尺寸、提高表面硬度与耐磨性。去应力退火：

500～600℃保温，随炉冷却；消除白口退火：

850～900℃保温，随后炉冷；表面淬火：高频感应/火焰/接触电阻加热淬火。

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10/20常见方法：去应力退火、消除白口组织退火、表面淬火。10

灰铸铁的牌号、用途与热处理典型工艺参数(示意)材料组织与性能基础

|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》本页为前10页阶段总结：已完成铸铁概述、石墨化、牌号规则与灰铸铁基础内容。从工程选材到工艺处理灰铸铁热处理要点核心特性石墨呈球状，形状系数高基体割裂作用小，综合力学性能高具有良好的减振、耐磨与可加工性铸造性能优良，壁厚适应性较广工程意义缩小与钢的性能差距，可部分替代钢材承载与冲击工况下更安全可靠降低结构质量并可简化加工工艺项目石墨形态对基体割裂作用强度塑韧性球墨铸铁球状弱高好(较高)灰铸铁片状强低差(低)

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11/20球墨铸铁(简称球铁)是经孕育、球化处理，使铸铁中石墨以球状形态析出的铸铁。球状石墨大大减弱了对基体的割裂作用，因此其强度、塑性和韧性显著优于灰铸铁；同时仍保持铸铁良好的铸造性能、减振性能、耐磨性和可加工性。11

球墨铸铁概述材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》

球墨铸铁与灰铸铁对比(要点)抗拉强度屈服强度

伸长率冲击韧性布氏硬度图6-

12

球墨铸铁与灰铸铁性能对比图6-

11球墨铸铁显微组织示意球墨铸铁

灰铸铁性能水平(相对值)特点定义组织类型主要特点典型性能倾向铁

素

体球墨铸铁基体以铁妻体为主，石墨呈球状分布组织软而韧，切削性能好。塑性、韧性好，强度和硬度较低，导热性较好。铁素体+珠光体

球墨铸铁基体由铁素体和珠光体组成，性能较为均衡，应用最广。强度、塑性、韧性兼顾，综合性能良好。珠

光

体球墨铸铁基体以珠光体为主，组织致密，石墨强化作用明显。强度和硬度高，耐磨性好，塑性

和韧性较铁素体型低。贝氏体球墨铸铁基体为上贝氏体或下贝氏体，组织细小而致密。综合性能优异，强韧性、耐磨性

和抗疲劳性能俱佳。与灰铸铁相比，球墨铸铁对化学成分的控制范围更窄，要求更严格。S、P:

含量较低，以减少夹杂和提高力学性能。加入球化剂(如Mg)和孕育剂(如

Si-Ca),实现石墨球化并细化组织。C:

含量较高，有利于获得球状石墨和提高铸造性能。Si:含量较高，有利于石墨化并减小收缩倾向。典型成分趋势(定性)成分控制要求更严格成分特点12球墨铸铁的成、组织和性能

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《机械工程材料(第2版)》材料组织与性能基础|教学演示大纲成分要求更严格，组织类型多样，性能因组织而异贝氏体型：兼具较高强度与良好韧性，综合性能最优，适用于高性能要求球场合。珠光体型：强度、硬度和耐磨性更高，适用于承受较高载荷和摩擦的零件。铁素体型：塑性和韧性优于其他类型，适用于承受冲击和变形的零件。组织类型与主要特点球墨铸铁可形成多种基体组织，常见类型及特点如下：性能差异与影响图6-14球墨铸铁性能比较图牌号组织特点性能特点典型用途QT400-18铁素体基体，球化率高，球状石墨细小均匀强度中等，塑性、韧性好，抗振性好，切削加工性好给排水管道、管件、阀体阀盖、

小型机座、泵体QT450-10铁素体+少量珠光体强度和塑性较平衡，耐磨性较好，尺寸稳定性好阀门、法兰、齿轮箱体、支架、

中等载荷机座QT500-7珠光体基体，球化率高强光较高，综合性能良好，耐磨减振性能优良后桥壳、差速器壳体、转向节、

中重载机座QT600-3珠光体为主，少量铁素体强度高，抗拉强度与铸钢接近，

综合力学性能优良曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮、

高载荷机座QT700-2珠光体基体，碳化物少量强度很高，耐磨性好，抗疲劳性能较好重载齿轮、曲轴、连杆、高性能机械零件QT800-2珠光体基体，碳化物少量强度极高，耐磨性优异，但塑性较低高速重载齿轮、凸轮轴、特殊工况零件图6-15

球墨铸铁典型零件应用示意球墨铸铁具有高强度、良好塑性和韧性、耐磨减振、铸造性能好等优点，广泛用于管道、阀门、机座等领域，可部分代替铸钢、锻钢和可锻铸铁零件，经济性显著。13

球墨铸铁的牌号及用途材料组织与性能基础|教学演示大纲一般载荷、要求塑性韧性好时，宜选用QT400～QT450;中等载荷、要求综合性能时，宜选用QT500;

《机械工程材料(第2版)》说明：

QT—球墨铸铁

(Ductile

Iron);牌号后数字如400、450、500、600、700、800表示最低抗拉强度

(MPa);考虑零件的工作条件、尺寸、加工工艺及经济性，合理选择牌号。哈尔滨理工大学

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选材要点短横后数字如18、10、7、3、2为最低延伸率(%)。高载荷、耐磨或要求强度高时，宜选用QT600～QT800;13/20热处理方法目的组织变化适用场景退火消除内应力，软化基体，改善切削加工性铁素体/珠光体粗化，组织应力消除铸件去应力，改善切削加工性正火细化晶粒，均匀组织，提高强度与韧性细化珠光体或铁素体，组织均匀化提高综合力学性能，改善均匀性

淬火+回火获得高强度与良好韧性匹配形成马氏体，回火后为回火索氏体等高强度、耐磨、承载构件

等温淬火获得下贝氏体，兼顾强度与韧性下贝氏体组织要求高强韧性的复杂铸件球状石墨对基体的切割作用较小，因此球墨铸铁的基体可以像钢一样进行热处理，

通过改变基体组织来改善综合性能，如提高强度、硬度、耐磨性，或改善塑性和韧性。说明：热处理工艺参数(温度、时间、冷却方式等)

需结合具体牌号、铸件厚度与性能要求合理选择。14

球墨铸铁的热处理材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》

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机械工程材料常用热处理方法(工艺路线概览)①

②淬火+回火

等温淬火退火

正火球墨铸铁常用热处理方法及其作用调质

得到下贝氏体，低温石墨化退火

低温正火去应力退火

高温正火低温回火综合性能优良图6-17热处理前后组织变化示意图6-16球墨铸铁热处理工艺路线高温石墨化退火14/20中温回火在固态下进行热处理使碳以石墨形式析出形成可锻组织石墨化退火/脱碳退火获得具有石墨团絮状组织的可锻铸铁件得到成分均匀的白

口

铸

铁

毛

坯白口铸铁件可锻铸铁先浇注得到哈尔滨理工大学|机械工程材料

15/2015可锻铸铁概述与生产过程可锻铸铁是指将白口铸铁经石墨化退火或脱碳退火处理，使碳以团絮状石墨形式析出而得到的一类铸铁。材料组织与性能基础|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》特征：截面中心几乎全部为团絮状石墨，表面有一定厚度的脱碳层。组织：芯部为铁素体+团絮状石墨；表面为铁素体(脱碳层)。注意：名称虽含“可锻”,但实际上不可锻压，只能进行铸造加工及机械加工。生产路线(总览)

基本概念若直接从灰口组织热处理，石墨形态与分布难以得到理想的团架状结构。有利于获得均匀的石墨化和脱碳效果，便于控制最终性能；白口组织碳以Fe3C

形式存在，组织致密，易于进行后续退火转变；定义、生产路线、分类与基本特征组织：芯部为珠光体(或部分渗碳体)+团絮状石墨；表面为铁素体。性能：强度和耐磨性最高，但韧性较低，适于承受磨损与压力的场合。性能：韧性较好，抗冲击性优于灰铸铁，强度中等，耐磨性较好。性能：强度、耐磨性、耐热性较高，综合性能最好，应用最广。

为什么要先得到白口组织2

珠光体可锻铸铁(通用型)黑心可锻铸铁

(适用于厚大件)特征：截面中心为未脱碳的白口层，周边为脱碳层。白

心

可

锻

铸

铁

(要求高强度、耐磨时选用)图6

-

19可锻铸铁显微组织示意(后续替换)图6-18可锻铸铁生产流程示意(后续替换)分类与特点特征：截面上珠光体与铁素体分布均匀。组织：珠光体+铁素体+团絮状石墨。,,牌号类别主要性能典型用途KTH300-06黑心可锻铸铁抗拉强度≥300MPa,伸长率≥6%。塑性、韧性较好，切削加工性能优良。管件、管路连接件、

建筑扣件、农机零件。KTH330-08黑心可锻铸铁抗拉强度≥330MPa,伸长率≥8%。

具有较好的强度与塑性配合。管路连接件、建筑扣件、农机零件、阀门零件。KTZ450-06白心可锻铸铁抗拉强度≥450MPa,伸长率≥6%。

强度高，韧性较好，耐磨性较好。汽车底盘零件、农机零件、阀门、机械结构件。KTZ500-05白心可锻铸铁抗拉强度≥500MPa,伸长率≥5%。强度高，综合力学性能优良，耐磨性好。汽车底盘零件、阀门、高强度机械零件。可锻铸铁中石墨呈团絮状，形状圆钝、边缘光滑，对基体的切割作用远小于片状石墨，因此其强度较高，塑性和韧性优于灰铸铁；同时在某些情况下，低温冲击韧性和切削加工性能还可优于球墨铸铁。哈尔滨理工大学

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16/2016

可锻铸铁的性能、

牌号及用途材料组织与性能基础|

教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》注：表中性能为典型值，具体指标以相应标准为准。比较项目灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁石墨形态片状蠕虫状(或蠕虫状)球状强度低中等(高于灰铸铁)高韧性低中等(高于灰铸铁)高导热性高较高(低于灰铸铁)中等减振性高较高(低于灰铸铁)中等

性能特点(与灰铸铁、球墨铸铁比较)强度、韧性高于灰铸铁导热帙、减振性优于球墨铸铁铸造性能良好适于生产复杂、薄壁铸件哈尔滨理工大学|机械工程材料

17/2017

蠕墨铸铁材料组织与性能基础|教学演示大纲蠕墨铸铁(VermicularGraphiteCast

Iron)是指铸铁中石墨呈蠕虫状或蠕虫状的铸铁。

性能对比(典型趋势)《机械工程材料(第2版)》其综合性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。图6-21

蠕墨石墨形态示意图6-22蠕墨铸铁应用示意基本概念典型应用发动机缸体排气岐管制动零件缸盖成分与凝固倾向碳在白口铸铁中主要以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色，硬度高、脆性大，耐磨性优异，但切削加工性差。碳含量较高(一般C>2.1%),硅含量低(Si<1%);冷却速度快或过冷度大时易形成白口组织。组织特征基体主要由一次渗碳体(Fe3C)及少量珠光体组成，几乎不含石墨。性能特点硬度高、耐磨性优异、抗压强度较高；脆性大、韧性差，切削加工性差。典型用途主要用于耐磨工况，如：耐磨衬板、磨球、轧银等。成分与凝固倾向麻口铸铁是灰口铸铁与白口铸铁之间的过渡组织，碳以游离石墨和渗碳体两种形式共存。碳含量和冷却条件介于灰铁与白铁之间，部分石墨来不及析出，

形成渗碳体。组织特征共存游离石墨(片状、团絮状)和渗碳体，以及基体(珠光体/铁素体)。性能特点性能介于灰口铸铁与白口铸铁之间，耐磨性优于灰铁，韧性高于白铁。典型用途用于中等耐磨、受冲击或承载较高的零件，如齿轮坯件、机床导轨、

泵壳等。类别碳存在形式性能特点典型用途白口铸铁麻口铸铁主要以渗碳体(Fe3C)形式存在，几乎不含石墨游离石墨(片状/团絮状)与渗碳体(Fe3C)共存硬度高、脆性大、耐磨性优异、切削加工性差耐磨衬板、磨球、轧辊等性能介于灰口铸铁与白口铸铁之间齿轮坯件、机床导轨、泵壳等

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18/2018

白口铸铁与麻口铸铁材料组织与性能基础

|教学演示大纲

《机械工程材料(第2版)》图6-24白口/麻口断口特征示意图6-23白口铸铁显微组织类别主要合金元素主要性能典型工况常见零件耐磨铸铁Cr、Mo、Si(高)、

B、Ti等高耐磨性、抗冲蚀性、

一定高温性能强磨损、冲刷、挤压工况轧银、耐魔衬板、磨球、破碎机锤头等耐热铸铁Cr、Ni、Si、Mo、Al等高温强度、抗氧化性、

抗热疲劳性高温(>500℃)、反复加热冷却、氧化性气気炉底板、炉簏条、

排气件、

热端支承件等耐蚀铸铁Ni、Mo、Cr、Cu、Si、AI等耐酸、碱、盐等化学介

质腐蚀酸性、碱性、含氯、含硫等腐蚀介质泵壳、阔体、管路件、化工耐蚀零件等2

耐热铸铁

以提高高温强度

、抗氧化与抗热疲劳性能为主要目的。耐蚀铸铁

以提高耐化学腐蚀性能为主要目的

，常见于酸

、碱

、盐介质环境。耐磨铸铁

以提高耐磨性为主要目的

，如高铬铸铁等。分类

常见合金元素及作用

Cr:形成碳化铬，显著提高耐磨性、耐热性和抗氧化性。

Ni

:

提高韧性、耐蚀性和抗氧化性，促进石墨稳定化。

Mo:

提高高温强度、耐磨性和抗蚀性，抑制回火脆性。

Si:

促进石墨化，改善铸造性并提高耐热性、抗氧化性。

Al:

脱氧、细化组织，提高耐热性和抗氧化性，改善哈尔滨理工大学|机械工程材料

19/20说明：实际成分与性能受基体组织、碳化物类型与分布、热处理与工艺等因素综合影响。在铸铁中加入一种或多种合金元素，以改善或提高其耐磨性、耐热性或耐蚀性等使用性能，这类铸铁称为合金铸铁。通过加入合金元素改变铸铁的