机械工程材料（第六版） 课件 第5-9章 工业用钢-工程材料的选用

工业用钢应用场景(后续插图)章内总览图/5.1

钢的分类与编号5.2

杂质与5.3

结构钢合金元素钢中常存本章内容导航机械工程材料(第2版)教学级课件第5章工业用钢第5章工业用钢本章重点：

分类一编号一成分作用一工程应用关键词

碳钢合金钢牌号

|

杂

质

元

素

|

合

金

元

素

|

结

构

钢机械工程材料

|教学级演示大纲掌握工业用钢中碳钢与合金钢的基本概念及分类方法；认识常存杂质元素与主要合金元素对钢性能的影响；熟悉常用结构钢的特点、热处理方式及典型用途。理解钢的牌号表示、质量等级和常见编号规则；学习目标②1/30对比要点成本原料来源广、工艺简单，成本低合金元素价格较高，成本高性能强度、淬透性较低，通用性能为主强度高、淬透性好，具备特殊性能

(耐蚀、耐热、耐磨等)工艺性塑性、焊接性、切削加工性好工艺性受成分影响较大，需优化工艺

典型应用建筑结构、桥梁、管道、普通机械零件等汽车、航空航天、能源装备、模具、轴承、齿轮、压力容器等关键部件具有一定力学性能和良好工艺性能，价格低廉，应用广泛指含碳量适当并含少量Si、Mn、P、S等常存元素的铁碳合金不足：淬透性低、强度有限，难以满足耐蚀、耐热、耐磨等特殊要求碳钢(非合金钢)2

/30工业用钢主要分为：碳钢、合金钢两大类5.1.1工业用钢概述合金钢目的：改善组织与性能，提高强度、淬透性及特殊使用性能在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素形成的铁基合金常用于承受较高载荷或有特殊环境要求的零件与构件

5.1.1钢的分类常用分类方法钢的多种分类方法并存，彼此可交叉使用；

工程实践中通常综合考虑。不同分类侧重点不同：成分

→

决定基本性能与冶金特性质量

→

反映纯净度与缺陷控制水平用途

→

面向服役要求与功能组织

→

决定力学与工艺性能冶炼

→影响成本、质量与生产组织A.

按化学成分分类碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢合金钢：低合金钢、中合金钢、

高合金钢还可按主要合金元素分为

铬钢、锰钢、铬镍钢等3/30D.按金相组织分类亚共析钢、共析钢、

过共析钢珠光体钢、贝氏体钢、

马氏体钢、奥氏体钢等B.按质量等级分类普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢依据：主要按S、P

含量划分钢分类逻辑图C.

按用途分类结构钢、工具钢、

特殊性能钢结构钢又包括工程构件用钢和

机器用钢E.按冶炼方法分类转炉钢、电炉钢按脱氧程度分为

沸腾钢、镇静钢表5-1各质量等级钢的

S、P含量侧边说明分类目的：

便于生产、使用、管理与选材后续插表

示例Q235A

·F45T12A20CrMnTiGCr15屈服强度235

MPa,质量等级A,沸腾钢优质碳素结构钢，平均含碳量约0.45%碳素工具钢，平均含碳量约1.20%,质量等级A合金结构钢，含Cr、Mn,Ti,碳含量约0.20%高碳铬轴承钢，含铬量约1.5%常见符号提示Q:

屈服强度R:压力容器T:碳素工具钢

GCr:轴承钢

ZG:铸钢q:

桥梁

HP:

焊接气瓶(示意)材料科学基础——金属材料及其工程应用

第5章金属材料的牌号与选用先看首字母/类别再看数字含义

再看元素符号最后看质量等级用途符号4/305.1.2钢的编号——表示方法总则我国钢铁材料牌号一般采用：汉语拼音字母+化学元素符号+阿拉伯数字的组合表示。字母常表示类别、用途、工艺方法或质量等级；数字多表示强度值、平均不同钢类的牌号规则不同，阅读牌号时应先判断所属钢种，再解析含义。含碳量或合金元素含量。常见识读思路

名称采用的汉字及汉语拼音符号牌号中位置耐候钢耐候、NH尾保证淬透性钢H尾易切削非调质钢易非、YF头热锻用非调质钢非、F头塑料模具钢塑模、SM头焊接用钢焊、H头钢轨钢轨、U头铆螺钢铆螺、ML头船用锚链钢船锚、CM头船用钢

国际符号锅炉和压力容器用钢容、R尾多层压力容器用钢高层、Gc尾轧辊用铸钢轧辊、ZU头焊接气瓶用钢焊瓶、HP头电工热轧硅钢电热、DR头电工用冷轧无取向硅钢无、W头汽车大梁用钢梁、L尾车辆车轴用钢辆轴、LZ头桥梁用钢桥、Q尾锅炉（管）钢锅、G尾管线用钢管线、L头地质钻探钢管用钢地质、DZ头矿用钢矿、K尾炼钢用生铁炼、L头铸造用生铁铸、Z头耐磨生铁耐磨、NM头用途符号用于区分钢材的专门使用领域，如R(压力容器)、q

(桥梁)、G(锅炉)、

S

(船体)、L

(管线)、

T

(塔桅)等，具体含义见标准。专用结构钢常在通用牌号后附加用途符号

5.1.2牌号规则(一)——碳素结构钢与低合金高强度结构钢屈服强度代号Q屈服强度

≥235

MPa235质量等级

A

级D脱氧方法沸腾钢345RQ345R:屈服强度代号最小屈服强度

≥345

MPa用途符号

(镇静钢，压力容器用钢不再列脱氧法)压力容器用钢

(用途符号示意)通用碳素结构钢

低合金高强度结构钢牌号常写为：Q+

最小屈服强度值+交货状态代号+质量等级交货状态如

N

(正火/正火轧制)等牌号常写为：Q+

屈服强度值+质量等级+脱氧方法质量等级常由A、B、C、D表示屈服强度代号最小屈服强度

≥355

MPa交货状态

正火/正火轧制质量等级E级N

表示正火/正火轧制，

E表示质量等级脱氧方法可见F

(沸腾钢)、

b(半镇静钢)、

Z

(镇静钢)等，实际牌号中部分符号可省略屈服强度代号最小屈服强度

≥345

MPa用途符号桥梁用钢(镇静钢，不再列脱氧法)屈服强度代号屈服强度

≥235

MPa质量等级

D级脱氧方法(常省略)这类钢通常为镇静钢，牌号中一般不再单列脱氧方法Q

235

A

F屈服强度≥235

MPa,

A级，沸腾钢屈服强度≥235

MPa,

D

级，镇静钢Q

345

qQ235A·F屈服强度≥235

MPa,示例解读示例解读Q345qQ345RQ235DQ355NE(用途符号示意)Q235A·F:Q355NE:Q235D:Q345q:(常省略)5/30桥梁用钢355QEN优质碳素结构钢碳素工具钢合金结构钢便于信息存储、检索与用两位数字表示平均含碳量T+

数字表示平均含碳量的前两位数字表示平均含碳量标准化管理的万分数千分数万分数，后接合金元素及含量不同前缀对应不同钢类例：45→平均含碳量约0.45%65Mn

→平均含碳量约0.65%,

Mn较高例：T12A→

平均含碳量约1.2%

,A

表示高级优质例：20CrMnTi0405

合金工具钢06轴承钢不锈钢铸钢GCr15:G

表示滚动轴承钢，

Cr15表示平均铬含量约1.5%例：9SiCr、Cr12MoV、2Cr13ZG270-500:ZG

表示铸钢，

前后数字分别对应屈服强度和按元素与含量组合识读抗拉强度(示意)5.1.2牌号规则(二)——常见钢种识读01

02

03钢铁材料牌号规则统一数字代号体系前缀字母+6位数字常见钢种识读与识读练习与应用数字含义牌号结构6/30元素表示实例解析总则总结

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6/26热脆/冷脆机理示意(后续插图)结论：Mn

、Si

多为有益常存元素；S

、P

需严格控制

5.2.1钢中常存杂质元素对性能的影响7/30①

锰

(Mn)3

硫

(S)4

磷

(P)溶于铁素体可起固溶强化作用适量存在通常有利来源于炼钢原料与脱氧过程可改善钢液脱氧效果易形成低熔点共晶体，在热加工时导致晶界开裂虽能强化铁素体并改善切削性，但会显著降低塑性和韧性②

硅

(Si)该现象称为“冷脆”

P含量不高时，对钢性能影响一般较小增加

Mn可形成MnS,减轻热脆倾向有助于提高强度和硬度该现象称为“热脆”常作为脱氧剂残留尤其低温下更明显钢中的有害元素钢中的有害元素MnSi

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7/26强碳化物形成元素如

Ti

、V

、Nb

、W

、Mo

、

Cr

等可形成稳定碳化物，提高强度、硬度和耐磨性碳化物越稳定、颗粒越细小，强化效果通常越明显多数合金元素可溶入铁素体或奥氏体，形成合金元素对铁素体力学性能的影响(后续插图)固溶强化图5-

18/305.2.2合金元素在钢中的主要作用多数合金元素使C曲线右移，提高淬透性

可提高耐回火性，某些合金钢在回火时会出现二次硬化C

3)对热处理的影响A

1)对钢中基本相的影响B

2

)

对Fe-Fe3C相图的影响Cr、Mo、W、V、Ti、Si等可缩小奥氏体区，利于形成铁素体钢Ni、Mn、Co等可扩大奥氏体区，利于形成奥氏体钢多数合金元素减慢扩散过程，使奥氏体化更难，常需提高加热温度并延长保温时间多数合金元素使共析点左移，从而改变钢的组织与性能多数合金元素阻碍晶粒长大，使热处理后晶粒更细

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8/26表5-3碳素结构钢牌号和力学性能(后续插表)Q195、Q215薄板、冲压件、铆钉、地脚螺栓、焊接件Q235钢筋、钢板、拉杆、连杆、转轴等一般机械零件Q255、Q275对强度要求更高的焊接结构件、吊钩、摩擦离合器、主轴等兼顾强度、塑性、焊接性与成本牌号越大，屈服强度通常越高工程结构中应用广泛选用规律9/30通常主要保证力学性能，

一般不再进行热处理；少数零件也可正火、调质或渗碳以提高性能常见牌号与典型用途5.3.1碳素结构钢冶炼简便，成本低，多以热轧空冷状态使用塑性高，焊接性好，用量大

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9/26表5-4常用优质碳素结构钢的热处理和力学性能(后续插表)优质碳素结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢：强调少量合金化与

综合性能提升强调纯净度与热处理适应性优质碳素结构钢：课堂提示后续内容：

易切削结构钢

低合金高耐候钢

渗碳钢

调质钢P、S及夹杂物控制更严格，塑性和韧性

较好，常用于较重要机械零件

08F、10、15、20:

塑性好，适合冲压件、焊接件及渗碳件5.3.2优质碳素结构钢与低合金高强度结构钢35、45:

经调质后综合力学性能较好，常用于齿轮、轴类、连杆、套筒60

、65Mn:

可油于弹簧和耐磨零件在低碳钢基础上加入少量

Si、Mn、Ti、

Nb

、V

等合金元素焊接性、冷成形性、耐蚀性较好，韧脆转变温度较低常用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、压力容器、输油管及低温构件组织多为铁素体+珠光体，强度高、塑性与韧性较好10/30

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第5章工业用钢45钢是最常见的优质碳素结构钢之一。教学提示：5.3.2优质碳素结构钢特点：硫、磷及非金属夹杂物控制严格，塑性、韧性较好，适于较重要机械零件。调质后用于齿轮、连杆、轴类、套筒等用于弹簧、垫圈、轧辊等，要求高弹性、耐磨性场合08F/

08钢10钢～25钢●

重弹性与耐磨性，硬度高●

适用于弹簧、垫圈、轧辊等30钢～55钢及40Mn/45

钢中碳钢(0.25%~0.60%C)热压力加工用钢：适于锻造、轧制、挤压等60钢以上及65Mn

等性能逻辑与选材要点典型钢号与主要用途螺钉、螺母、杠杆、焊接件等高碳钢(≥0.60%C)●适用于冲压、焊接、容器等零件低碳钢(≤0.25%C)调质后强韧性匹配，承载能力高顶锻用钢：适于顶锻、镦粗等工艺按加工方法分类易切削性较好，表面质量易保证冷拉(拔)用钢：冷拔坯料用钢冲压件、薄板、容器等重塑性与焊接性，易成形压力加工用钢切削加工用钢●综合力学性能优良12/30

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第5章工业用钢

5.3.3低合金结构钢高强度、良好的焊接性与韧性，广泛用于工程结构、桥梁、船舶、压力容器等。

强度淬透性个在低碳钢基础上加入少量合金元素形成的结构钢。通过细晶强化、固溶强化和析出强化改善性能。低合金结构钢分类强度更高

综合性能更好节材效果明显主要性能和使用特性分类具有高强度和良好疲劳性能，用于车轴、轮毂、车轮等。耐磨、耐冲击、抗疲劳，用于采煤机、刮板、支架等。强度高、韧性好，用于钢筋混凝土结构中的受力钢筋。低合金耐候钢其他低合金钢易切削结构钢矿用低合金钢具有良好耐大气腐蚀性能，适用于暴露环境下结构。可焊接低合金高强度结构钢

铁道用低合金钢常用元素

Si

、Mn

、Ti

、Nb

、V

等，总量较低；提高切削加工性能，用于机加工零件制造。可焊接低合金高强度结构钢用于特殊用途或具有特定性能要求的结构钢。与碳素结构钢相比合金化思路性能可设计性个主要优点铁道用低合金钢易切削结构钢矿用低合金钢低合金钢筋钢低合金耐候钢其他低合金钢低合金钢筋钢定义13/3032

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教学级课件第5章工业用钢14/302.组织与强化机理通过细晶强化、沉淀强化等机制，并结合控轧控冷工艺，使钢材强度与韧性得到显著提升。4.

典型用途广泛用于桥梁、建筑、车辆、船舶、压力容器等大型工程结构与装备。核心：

以少量合金元素获得更高强度和良好焊接性。1.低合金高强度结构钢在低碳基础上加入少量

Mn、Si、Ti、Nb、V等微合金元素，总含量低。低合金高强度结构钢|

兼具高强度与良好焊接性的工程用钢强度高、塑性和焊接性较好，具有优良的韧性，适合大型焊接结构的设计与制造。Q345

、Q390

、Q420等。1.

定义与成分特点5.牌号举例3.

主要特点

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13/26各类低合金结构钢特性比较图5-21机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢15/30根据服役环境、加工方式和性能要求综合确定。选材原则：2.其他低合金结构钢自动车床零件、紧固件、阀门件、仪表零件等。典型应用建筑钢筋、高层建箱、桥梁、高铢结构等。典型应用车轮、车轴、钢轨、矿车、支护结构、耐磨部件等。典型应用桥梁、车辆、集装箱、电塔、户外结构等。典型应用加入

Cu

、Cr、P

等元素，在大气环境中形成致密

保护锈层。在普通碳素钢基础上加入微量合金元素，提高强度和韧性。适合自动机床加工件，可提高加工效率，延长刀具寿命。要求高强度、良好韧性及耐磨性，保证安全与可靠性。机械工程材料

教学级演示大纲②

低合金耐候钢用于钢筋混凝土结构，增强承载力和抗震能力。①

易切削结构钢提高耐大气腐蚀能力，延长使用寿命。③

低合金钢筋钢针对铁路、矿山等特定工况设计。加入S、Pb、Se

等改善切削性。铁道用/矿用低合金钢

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第5章工业用钢记

忆

：渗碳钢=硬表面+韧心部。

5.3.4渗碳钢表层高碳马氏体/残余碳化物，芯部保持韧性；兼顾耐磨性与抗冲击性。消除内应力，稳定尺寸提高韧性低温回火低碳或低碳合金钢，便于渗碳后获得硬壳韧芯。用于要求表面高硬度、心部高韧性的零件。20、20Cr、20CrMnTi等。齿轮、凸轮、活塞销、花键轴等。加热到奥氏体化温度后快速冷却在富碳介质中加热使表层碳含量提高

渗碳

淬火常用钢号举例：典型热处理路线组织与性能：典型用途：成分特点：(低碳马氏体+

-铁素体)功能定位：16/30残余碳化物)(高碳马氏体/图

例表层芯部

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15/261

.

概念

经淬火+高温回火后使用的结构钢。2.

目标性能

获得良好的强度、塑性和韧性配合，

即综合力学性能。3.常用钢种

35、40、45、40Cr、35CrMo

等。4.组织特点

回火索氏体为主。5.典型用途

轴类、连杆、齿轮、螺栓、机床主轴等重要受力零件。6.选用原则

根据截面尺寸、负荷和淬透性选择

碳钢或合金钢。典型零件与应用场景(大图)图5-27淬火奥氏体化Ac3+30~50℃性能

强度/硬度变化趋势

高

个

低

低高温回火500~650℃

获得回火索氏体韧性高

低

个

高空冷冷却至室温获得综合性能综合性能差

个

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第5章工业用钢组织特点说明●调质处理后组织以回火索氏体为主，可能含少量铁素体。●回火素氏体由细小铁素体+弥散碳化物组成，兼顾强度与韧性。●合金钢中可能含少量残余奥氏体，有利于韧性提高。图5-26

调质钢典型组织示意(显微组织图)45钢和40Cr是最典型的调质钢材料。5.3.5调质钢调质处理工艺路线与性能变化淬火后回火后

淬火后回火后

淬火后回火后淬火后回火后图5

-

25

调质处理工艺路线加热油冷或水冷获得马氏体17/30塑性

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16/26图5-21常见弹簧形式示意材料选择成分设计

热处理工艺表面强化/防护结构与尺寸设计可靠服役教学提示弹簧的可靠服役依赖材料性能、热处理工艺与结构设计的协同优化。工艺路线与截面尺寸密切相关强度一韧性一弹性需协调弹簧失效以疲劳为主核心认识Si-Mn

硅锰弹簧钢铬硅弹簧钢不锈弹簧钢稳定性及抗松弛性优良耐蚀性好，适用于耐蚀或高温环境含碳量较高，性能优良，成本低，应用广泛综合性能好，淬透性和回火稳定性较好淬透性高，耐热性、回火(按主要合金体系)常见弹簧钢分类碳素弹簧钢机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢图5-22弹簧服役受力示意5.3.6弹簧钢弹簧钢主要用于制造各种弹簧及类似

弹性元件，工作时通常承受交变载荷、冲击或振动。服役要求：高弹性极限、高疲劳强度、足够韧性、良好淬透性、耐蚀性及

抗脱碳能力。典型应用：

机械弹簧、仪表弹簧、汽车板簧、螺旋弹簧、气门弹簧、减振器弹簧等。性能要求|分类|应用场景一些特殊用途弹簧钢还要求较高的屈强比和较好的高温性能。

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17/26图5-23

热成形弹簧热处理示意图5-24

冷成形弹簧工艺流程示意教学提示：

截面尺寸是选择热成形/冷成形的重要依据机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢Mn

、Si可提高淬透性和耐回火性，并强化铁素体，提高弹性极限。

Cr、Mo

、V

可细化晶粒，抑制脱碳，提高屈强比、疲劳强度和

高温性能。冷成形弹簧：可采用铅淬冷拉钢丝、淬火回火钢丝或退火钢丝，再进行低温回火消除应力。

喷丸处理可在表面形成残余压应力，显著提高疲劳寿命。弹簧钢的化学成分与热处理特点1化学成分特点2

热处理特点热成形弹簧：热卷成形后利用余热淬火并中温回火，组织多为回火托氏体。碳素弹簧钢含碳量一般约为0.6%～0.9%,合金弹簧钢含碳量一般约为0.5%～0.7%。Si

过高易导致脱碳和石墨化倾向，应综合控制。

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18/26类别典型牌号主要特点典型用途碳素弹簧钢65、70、85成本低，应用广小型弹簧、

一般机械弹簧硅锰弹簧钢60Si2Mn、55Si2Mn弹性极限高，

疲劳性能好汽车板簧、

螺

旋

弹

簧铬钒弹簧钢50CrVA强韧性好，

耐回火性较高重载弹簧、气

门

弹

簧

铬锰钒/铬硅钢60CrMnA、55CrSi适用于较大截面重型机械弹簧图5-25常用弹簧钢显微组织示意图5-26弹簧典型失效形式示意本章要点

牌号一热处理一服役条件三者必须匹配。机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢牌号选择应结合载荷、温度、截面尺寸和制造工艺。对疲劳寿命要求高时，常配合喷丸、表面强化等工艺。常用弹簧钢牌号与用途机械工程材料

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19/26图5-28轴承钢热处理流程图图5-27轴承零件组成示意①

轴承钢主要用于制造滚珠、滚柱、滚针及内外套圈，也可用于冷冲模、精密量具和丝杠等耐磨件。②

服役特点：承受高接触应力与交变载荷，

易发生接触疲劳和磨损。

性能要求：高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度、足够韧性和尺寸稳定性。机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢5.3.7滚动轴承钢关

键

词

：接触疲劳、残余奥氏体、尺寸稳定性精密轴承常在淬火后增加冷处理和稳定化处理，以减少残余奥氏体并提高尺寸稳定性。含Cr可提高淬透性，并形成细小弥散碳化物，提升疲劳强度和耐磨性。性能要求概述对S、P含量要求严格，以提高纯净度和使用寿命。性能要求|化学成分

|热处理特点化学成分特点热处理特点常用工艺：球化退火→淬火→低温回火。含碳量较高，以保证硬度和耐磨性。

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20/26典型牌号主要特点典型应用

高碳铬轴承钢GCr15应用最广，综合性能好中小型轴承、量具、丝杠

高碳铬轴承钢GCr15SiMn淬透性较好大型、重载轴承

渗碳轴承钢20CrMnTi等表面硬、心部韧高速重载轴承

不锈轴承钢9Cr18等耐蚀性好特殊环境轴承图5-29GCr15轴承钢组织与性能示意图5-30

冷处理与稳定化处理示意机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢25/30淬火+低温回火后组织多为细回火马氏体、细粒状碳化物和少量残余奥氏体。冷处理可减少残余奥氏体，提高尺寸稳定性。常用轴承钢牌号与应用教学要点机械工程材料

教学级演示大纲球化退火改善切削加工性并为最终热处理做组织准备。纯净度、碳化物均匀性和尺寸稳定性十分关键。工艺补充轴承钢不仅看硬度，更看接触疲劳寿命。类型

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21/26牌号性能特点典型用途ZG200-400塑性、韧性、焊接性较好机座、壳体ZG230-450强度与韧性较好阀体、底板、轴承盖ZG270-500强度较高箱体、连杆、曲轴ZG310-570强度和硬度较高大齿轮、制动轮图5-32工程用铸钢组织示意26/30图5-31

铸造碳钢典型零件示意机械工程材料(第2版)

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第5章工业用钢铸钢适合复杂受力件，但铸造性、切削性、焊接性需综合考虑。对于形状复杂、难以锻压成形而铸铁又难以满足性能要求的零件，可采用铸造碳钢件。铸造碳钢兼具一定强度、塑性和韧性，适合制造承受一定载荷的复杂零件。5.3.8铸造碳钢其含碳量通常不宜过高，以保证铸件的塑韧性和焊接性能。特点

|牌号

|

用途

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22/26机械工程材料(第2版)教学级课件

第5章工业用钢27

/30奥氏体→马氏体转变示意图高锰钢表层加工硬化示意图典型关键词：水韧处理、加工硬化、强冲击耐磨。5.3.9高锰耐磨钢挖掘机铲斗齿破碎机颚板

矿车车厢衬板球磨机衬板强化机理高锰耐磨钢属于在巨大压力和强烈冲击作用下发生加工硬化的专用钢种。典型特点：初始硬度不高，但在服役过程中表面迅速硬化，耐磨性显著提高。同时可能伴随奥氏体向马氏体转变，表面硬度和耐磨性提高，而心部仍保持良好韧性。含碳量较高以保证耐磨性；含M

n量

高以稳定单相奥氏体组织并保证韧性。成分特点铸态组织中常存在碳化物，需通过水韧处理改善组织。常通过铸造成形，用于强冲击、高磨损工况。奥氏体(γ)

冷变形强化

马氏体

(a')表层在冲击和摩擦下发生明显冷变形强化。碳化物

组织改善，韧性提升硬度个耐磨性个冲击/摩擦水韧处理

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23/26处理后钢的初始强度和硬度并不很高，但塑性、韧性良好。破碎机颚板铁路道岔工作时表面硬度可显著提升，而心部保持奥氏体的抗冲击能力。状态

组织特点性能特点挖掘机铲齿铸态碳化物较多硬而脆履带板、耐冲击衬板

本节重点：高锰钢通过水韧处理获得良好韧性，在服役中依靠表面加工硬化发挥耐磨和抗冲击优势，广泛应用于强冲击、耐磨损工况。

28/30机械工程材料(第2版)教学级课件第5章工业用钢高锰耐磨钢的热处理与应用水韧处理后

单相奥氏体为主

韧性好、服役中可硬化

防弹板、保险箱钢板等铸态组织

水韧处理

单相奥氏体水韧处理可使碳化物充分溶入奥氏体，显著改善韧性。图5-35

水韧处理工艺示意

图5-36

高锰钢典型应用场景服役中表面加工硬化(1000～1100℃典型应用加热后水冷)

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24/26钢种主要性能特点常用热处理典型零件渗碳钢表硬心韧、耐磨渗碳+淬火+低温回火齿轮、凸轮、活塞销弹簧钢弹性极限和疲劳强度高淬火+中温回火板簧、螺旋弹簧轴承钢高硬度、耐磨、接触疲劳强度高球化退火+淬火+低温回火滚珠、套圈铸造碳钢适于复杂铸件正火或调质壳体、箱体、阀体高锰耐磨钢强冲击下表面硬化水韧处理颚板、履带板、道岔图5-37热工业用钢选材路线图机械工程材料(第2版)

教学级课件

第5章工业用钢29/30热工业用钢的选材对比关键词

热工业用钢选材对比

工况匹配

热处理成本控制本章重点：不同热工业用钢的性能特点及选材思路与方法磨损、冲击、疲劳、接触应力。锻造、轧制、铸造、表面强化。

选材思路再看尺寸与制造方法：轴、连杆、齿轮轴最后匹配热处理综合力学性能好淬火+高温回火先看工况：与成本。调质钢

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25/26图5-38本章知识框架图机械工程材料(第2版)

|

教学级课件

第5章工业用钢30/30从成

分

一

组

织

一

热

处

理

一

性

能

一

应

用的链条理解工业用钢。本章总结与复习思考常存杂质和合金元素对性能的影响碳素结构钢、低合金结构钢的特点①

本章知识主线渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢和高锰耐磨钢的选材原则对承受冲击和磨损的零件，为什么常强调“表面硬、心部韧”?②

核心方法为什么高锰耐磨钢在静态硬度不高时仍具有优良耐磨性?齿轮、弹簧、滚动轴承分别应优先选用哪类钢?

为什么?3

课堂思考结合制造工艺与成本进行综合决策根据性能需求选择钢种与热处理根据服役条件确定性能需求钢的分类与编号

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26/26|机械工程材料

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。基本概念机械工程材料

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)》

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)》

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。|机械工程材料

5/205

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

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

机械工程材料

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。

机械工程材料

8/208

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。

机械工程材料

9/209

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。

|

机械工程材料

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)

机械工程材料

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、组织和性能机械工程材料

12/20

《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。

机械工程材料

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)》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|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。

|机械工程材料

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|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