第四章 合金钢及铸铁pptConvertor.docx
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第四章合金钢及铸铁pptConvertor
第四章合金钢及铸铁
碳素钢的主要缺点：
1.综合机械性能差；
2.热稳定性差；
3.耐腐蚀性差；
4.淬透性差；
5.不能满足某些特殊性能。
1
钢的淬透性和淬硬性
钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。
其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。
钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。
2
淬透性的应用：
（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；
（2）淬透性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的
淬火介质以减小淬火应力。
（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀一致，可选用淬透性大的钢。
（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用
低淬透性钢。
3
一、合金元素在钢中的作用
合金钢——为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。
有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、Ti、B、Al、Nb（铌）、Zr（锆）等。
1.强化 固溶强化 细化晶粒
2.稳定组织，细化晶粒
3.提高淬透性
4.提高抗氧化和耐蚀能力
第一节合金钢概述
4
二、合金钢的分类
5
数字+化学元素+数字的方法表示。
1.结构钢的含碳量用两位数字表示。
碳质量分数以万分之一为单位的数字。
如60Si2Mn;20CrMnTi。
2.工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，用一位数字表示，含碳量大于1%时不标出。
如5CrMnMo;Cr12
注：
碳质量分数数字之后，为钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时，相应地标以2、3……。
三、合金钢的编号
6
合金结构钢——用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。
主要包括：
1.合金渗碳钢
2.合金调质钢
3.合金弹簧钢
4.滚动轴承钢。
第二节合金结构钢
7
容器 船舶
车辆 桥梁
储气罐
8
1.合金渗碳钢
a.用途
在工作中主要经受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。
如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。
拨叉
变速齿轮
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b.性能要求
①表面渗碳层硬度高，以保证耐磨性和接触疲劳抗力。
②心部具有高的韧性和一定高的强度。
③有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。
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c.成分特点
①低碳：
Wc:
0.10%～0.25%。
②加入提高淬透性的合金元素：
常加入Cr、Ni、Mn、B等。
③加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：
主要加入少量合金元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
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e.热处理方法
热处理工艺：
一般是渗碳后直接淬火＋低温回火。
热处理后：
渗碳层硬度为60HRC～62HRC。
心部硬度为25HRC～48HRC；
心部冲击韧性一般都高于70kJ/cm2。
d.典型钢种及牌号
20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4A。
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2.合金调质钢
ａ.用途
用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
齿轮
曲轴
汽车万向节
连杆
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ｂ.性能要求
大多承受多种工作载荷，受力复杂，要求高的综合机械性能，还要求有很好的淬透性。
Ｃ.成分特点
①中碳：
Wc:
0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；
②加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：
除了提高淬透性外，还能提高钢的强度。
③提高回火稳定性的元素：
Mo、W、V、Al等。
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d.钢种及牌号
40Cr、35CrMo、40CrNiMo等。
e.热处理方法
预先热处理:
退火或正火。
最终热处理:
淬火+高温回火。
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3.合金弹簧钢
ａ.用途
合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用
于制造各种弹簧和弹性元件。
弹簧
拉力弹簧
离合器弹簧
蝶形弹簧
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ｂ.性能要求
①高的弹性极限σe，尤其是高的屈强
比σs/σb以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。
②高的疲劳强度σr，以防止在震动和交
变应力作用下产生疲劳断裂。
③足够的塑性和韧性，以免受冲击时
脆断。
此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。
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ｃ.成分特点
①中、高碳Wc:
0.50%～0.70%。
②主加元素Si、Mn、Cr
提高淬透性的，回火稳定性和屈强比。
③辅加元素W、Mo、V
减小脱碳和过热敏感性，进一步提高弹性极限和屈强比。
此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很
大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优
质钢。
屈强比越大，结构零件的可靠性越低，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。
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ｄ.钢种和牌号
①以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢：
65Mn和60Si2Mn。
价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢。
主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。
②在Si、Mn基础上，加Cr、V、W等元素的弹簧钢：
50CrVA。
大大提高钢的淬透性，而且还有较高的高温强度、韧性和热处理工艺性能。
可制作在350～400℃温度下承受重载的较大弹簧。
如高速汽油机的气门弹簧。
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ｅ.加工、热处理与性能
弹簧按加工和热处理可分为两类：
①热成形弹簧
用热轧钢丝或钢板制成，具有高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。
②冷成形弹簧
小尺寸弹簧一般用冷拉钢丝冷卷成形。
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4.滚动轴承钢
ａ.用途
主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、
滚针）、内外套圈等。
从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。
滚珠 滚珠轴承
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ｂ.性能要求
①高的接触疲劳强度：
轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500MPa～5000MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。
②高的硬度和耐磨性：
硬度一般为62HRC～64HRC。
③足够的韧性和淬透性。
此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。
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Ｃ.成分特点
①高碳Wc:
0.95%～1.10%。
②铬为主加元素。
提高淬透性和耐磨性，特别是疲劳强度。
适宜Wcr:
0.40%～1.65%。
③加入硅、锰、钒等。
Si、Mn进一步提高淬透性。
V提高钢的耐磨性并防止过热。
④纯度要求极高。
Ws＜0.02%；Wp＜0.027%。
因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。
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ｄ.钢种和牌号
①铬轴承钢最常用的是GCr15。
使用
量占轴承钢的绝大部分。
②添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢
如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。
ｅ.热处理方法
热处理：
球化退火、淬火和低温回火。
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第三节合金工具钢
工具钢按用途分为
1.刃具钢
2.模具钢
3.量具钢
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1.合金刃具钢
主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、
铣刀、钻头等。
铣刀
英制模板刀
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a.性能要求
基本性能要求：
①高硬度
金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上
②高耐磨性
③高热硬性
热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）
④足够的塑性和韧性
以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。
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c.成分特点
（1）低合金刃具钢
最高工作温度不超过300℃。
①高碳：
Wc:
0.9%～1.1%。
②加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。
Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si
还能提高钢的回火稳定性；
W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加
热时过热，保持细小的晶粒。
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（2）高速钢 具有很高的热硬性。
①高碳：
Wc:
0.70%～1.6%。
②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：
Cr提高淬透性。
W、Mo保证高的热硬性。
V提高耐磨性，细化晶粒。
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d.钢种及牌号
（1）低合金刃具钢 典型钢种：
9SiCr。
加工过程：
球化退火——机加工——淬火＋低温回火。
（2）高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢
齿轮滚刀（W18Cr4V钢）工艺路线：
锻造——球化退火——粗加工——淬火＋回火——精加工——表面处理。
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1.碳素工具钢：
热硬性差，随使用温度提高迅速软化。
2.低合金刃具钢：
9SiCr要保持同样的硬度，工作温度不能超过350℃。
3.高速钢：
W18Cr4V在600℃还保持60HRC的高硬度。
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2.合金模具钢
按用途分：
冷作模具钢和热作模具钢两大类。
模具
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（1）冷作模具钢
A.用途 冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过
200℃～300℃。
B.性能要求冷模具工作时承受很大的压
力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。
应具有以下基本性能：
①高硬度，一般为58HRC～62HRC；
②高耐磨性；
③足够的韧性和疲劳抗力；
④热处理变形小。
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C.成分特点
①高碳Wc:
1.0%～2.2%。
②高铬为主加合金元素，含量高达12%。
提高钢的耐磨性和淬透性。
辅加Mo、W、V等合金元素改善钢的淬透性。
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D.钢种和牌号
9Mn2V、9SiCr、CrWMn 要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。
Cr12大型冷模具用钢，热处理变形很
小，制造重载和形状复杂的模具。
E.热处理方法
球化退火——淬火、回火。
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（2）热作模具钢
A.用途用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。
B.性能要求
性能要求：
①高的热硬性和高温耐磨性；
②高的抗氧化性能；
③高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲击较大
的热锻模钢；
④高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏；
⑤由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有
高的淬透性和导热性。
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C.成分特点
①中碳Wc:
0.3%～0.6%。
②主加Cr、Ni、Mn、Si等
提高淬透性和耐热疲劳性能，并增加钢的韧性。
③辅加元素Mo、W、V等
提高高温强度和回火稳定性。
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D.钢种和牌号
5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等。
E.热处理方法
预先热处理：
锻造后球化退火
最终热处理：
淬火＋高温回火，
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3.量具用钢
A.用途
用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。
螺纹规
游标卡尺 千分尺
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B.性能要求
主要性能要求:
（1）高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；
（2）高尺寸稳定性热处理变形要小。
C.成分特点
（1）高碳Wc:
0.9%～1.5%；
（2）加入元素Cr、W、Mn等。
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D.量具用钢
（1）尺寸小、形状简单、精度较低的量具，选用高碳钢制造；
（2）复杂的精密量具一般选用低合金刃具钢；
（3）精度要求高的量具选用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。
E.热处理方法
锻造后球化退火——机加工——淬火、回火。
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特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢，耐热钢，耐磨钢等。
第四节特殊性能钢
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1.不锈钢——不锈钢与耐酸钢的总称。
（1）用途及性能要求
在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。
性能要求：
（1）耐蚀性；
（2）高硬度、高强度、高耐磨性；
（3）较好的加工性能。
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（2）成分特点
①碳含量 耐蚀性要求愈高，碳含量应愈
低。
大多数Wc:
0.1%～0.2%。
②主加合金元素铬、镍。
铬含量:
Wcr:
12%～30%。
提高钢的耐蚀性。
镍含量可达8%～11%，可提高钢的强度。
③加入钼、铜、钛、铌、锰等。
提高钢的耐蚀性。
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②铁素体型不锈钢1Cr17、1Cr17Ti等
耐蚀性比Cr13型钢更好，但强度较低。
主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如化工设备、容器和管道等。
③奥氏体型不锈钢Cr18Ni9型
这类钢碳含量很低（约0.1%），强度、硬度低，无磁性，塑性、韧性和耐蚀性均较Cr13型不锈钢更好。
（3）常用不锈钢
①马氏体不锈钢
1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。
有较高的硬度、耐磨性，但耐蚀性很低。
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1Cr18Ni9Ti不锈钢表带
不锈钢容器
不锈钢船用螺旋桨
不锈钢剪刀
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2.耐热钢
是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。
（1）用途及性能要求
用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中
的零部件。
要求在高温下具有良好的抗蠕变和抗断裂
的能力，良好的抗氧化能
力、必要的韧性以及优良
的加工性能。
具有较好的
抗高温氧化性能和高温强
度（热强性）。
燃气轮机
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（2）成分特点
耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si
或Al，特别是Cr。
它们的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于热强性。
Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能提高室温和高温强度及抗氧化性。
（3）常用钢种
常用钢种有0Cr13Al、1Cr17；1Cr18Ni9Ti、2Cr21Ni12N、2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。
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3.耐磨钢
（1）用途及性能要求
主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。
对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。
高锰钢是目前最主要的耐磨钢。
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破碎机颚板
挖掘机斗齿
铁轨分道叉
履带
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（2）成分特点
①高碳 Wc:
1.0%～1.3%。
②高锰 锰是扩大奥氏体区的元素，它和WMn:
11～14%。
③一定量的硅 硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。
WSi:
0.3%～0.8%。
（3）典型钢种
ZGMn13高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用。
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铸铁——Wc≥2.11%、并常含有较多的Si、Mn、S、P等元素的铁碳合金。
第五节铸铁
箱体
可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。
一、铸铁概述
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（1）灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；
（2）可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；
（3）球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；
（4）蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。
二、铸铁的分类
按铸铁中石墨形态的不同分为：
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（一）灰铸铁
1.性能
①良好的铸造性能
②良好的减震性
③较低的缺口敏感性
④良好的切削加工性
⑤良好的减摩性
⑥良好的抗压性能
灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。
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2.灰铸铁的牌号
“HT”表示“灰铁”，后面数字表示最低抗拉强度。
类别
牌号
用途举例
铁素体
灰铸铁
HTl00
低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等
铁索体—珠光体灰铸铁
HT150
承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件
珠光体
灰铸铁
HT200
承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等
HT250
孕育铸铁
HT300
床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等
HT350
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液压件
阀门
叶轮
发动机飞轮
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较高的强度、塑性和冲击韧性，可部分代替碳钢。
比灰铸铁性能优越；适用于薄壁、形状复杂的零件。
但生产周期长、工艺复杂，成本较高，已逐步被球墨铸铁所代替。
1.性能特点
（二）可锻铸铁
——由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。
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类别
牌号
应用举例
黑心可
锻铸铁
KTH300-06
KTH330-08
KTH350—10
KTH370—12
汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等
珠光体
可锻铸铁
KTZ550-04
KTZ700-02
曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等
2.可锻铸铁的牌号
（1）铁素体可锻铸铁以“KT”表示，
KT350-10
（2）珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示，
KTZ600-3
其后两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。
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（三）球墨铸铁
它是向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的。
1.性能
球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。
其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。
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2.球墨铸铁的成分和球化处理
（1）成分要求严格，一般范围是：
WC:
3.6%～3.9%,WSi2.2%～2.8%,WS<0.07%,WP<0.1%。
（2）球化处理:
球化剂:
稀土镁合金；
孕育剂：
硅铁和硅钙合金等。
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基体类型
牌号
用途举例
铁素体
QT400-15
QT400-10
阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳
铁素体+珠光体
QT500-7
机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦
珠光体
QT700-2
QT800-2
柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等
下贝氏体
QT900-2
汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿轮．柴油机凸轮轴
3.球墨铸铁的牌号
球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。
QT420-10、QT600-2、QT800-2
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球墨铸铁管道接口
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（四）蠕墨铸铁
蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。
蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示
最低抗拉强度。
RuT300、RuT420
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蠕墨铸铁的组织示意图
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（五）特殊性能铸铁 （合金铸铁）
在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。
（1）耐磨铸铁 是指不易磨损的铸铁。
衬板
铧式犁
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（2）耐热铸铁
耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。
扇形扩散器
排气管
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（3）耐蚀铸铁
耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。
主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。
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铝合金、铜合金、轴承合金、硬质合金以及钛合金、镁合金等。
此外还有耐蚀合金、高温合金、形状记忆合金、超塑性合金、超导材料、非晶态合金等大多也属于非铁金属材料。
第六节有色金属
除了钢铁（黑色）以外其他金属的统称。
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