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第9章鋼的回火轉(zhuǎn)變及回火教學(xué)目的:以馬氏體分解時碳化物的析出為中心線索,詳細(xì)地把握相的變化過程和碳化物的析出、轉(zhuǎn)化規(guī)律,全面了解淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的知識。主要內(nèi)容:淬火碳鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變,合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響,回火時力學(xué)性能的變化、回火工藝、二次硬化、回火脆性等。前言淬火:把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上,保溫并隨之以大于臨界冷卻速度冷卻,使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法。鋼經(jīng)淬火獲得的馬氏體組織具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性,大的淬火應(yīng)力,是非平衡的不穩(wěn)定組織;淬火組織中的殘余奧氏體也是不穩(wěn)定組織;不能直接使用。結(jié)構(gòu)鋼通過淬火和回火之后,可獲得良好的綜合力學(xué)性能?;鼗鸸に嚕簩⒋慊鸷蟮暮辖疬^飽和固溶體重新加熱到低于相變臨界點(diǎn)的某一溫度,保溫一定時間,使亞穩(wěn)的馬氏體和殘余奧氏體發(fā)生某種程度的轉(zhuǎn)變,再冷卻到室溫,從而調(diào)整零件的使用性能?;鼗疝D(zhuǎn)變:在回火過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化?;鼗鹉康模涸谶m當(dāng)降低硬度的同時,消除大部分淬火應(yīng)力,降低脆性、增加塑性和韌性,獲得所需要的穩(wěn)定組織和性能,使其尺寸穩(wěn)定性大大提高。馬氏體的回火產(chǎn)物有:回火馬氏體:低溫回火得到的-相(立方馬氏體)和(或)—碳化物等相組成的組織。回火托氏體:中溫回火得到的尚保留著馬氏體形貌特征的鐵素體和片狀(或細(xì)小顆粒)滲碳體的組織(回火屈氏體)?;鼗鹚魇象w:高溫回火得到的等軸狀鐵素體+較大顆粒狀-碳化物的組織?;鼗疬^程完全受碳及合金元素的擴(kuò)散與鐵的自擴(kuò)散的控制。一、碳原子的偏聚(預(yù)備階段或時效階段)溫度條件:80~100oC以下。擴(kuò)散情況:鐵及合金元素難以擴(kuò)散;碳、氮等間隙原子能作短距離擴(kuò)散,由正常間隙位置向晶體缺陷處偏聚,導(dǎo)致馬氏體彈性畸變能下降。板條狀馬氏體,其亞結(jié)構(gòu)是大量位錯,所以:當(dāng)碳含量小于0.2%時,馬氏體為立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)當(dāng)碳含量大于0.2%時,馬氏體為正方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)9.1淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變通過測定淬火鋼的電阻率來推測碳原子的偏聚電阻率:C原子分布在正常間隙位置時比偏聚在位錯線附近時高。板條馬氏體:亞結(jié)構(gòu)是位錯,碳原子在位錯線附近偏聚。片狀馬氏體:亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶,大量C原子在孿晶面上富集成厚度小于1nm的富碳區(qū),所以馬氏體為正方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。富碳區(qū)的形成使馬氏體的電阻率和硬度提高。二、馬氏體的分解(回火第一階段)溫度條件:80~250oC中、高碳馬氏體中的富碳區(qū)的碳原子轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟锒龀?,馬氏體開始分解,馬氏體的正方度減小。低碳馬氏體中的碳原子繼續(xù)偏聚-碳化物:密排六方點(diǎn)陣,成分介于Fe2C~Fe3C之間,一般x=2.4;-碳化物與基體之間保持共格;-碳化物細(xì)小薄片長約100nm、直徑5nm左右,慣習(xí)面{100}′1、高碳馬氏體的分解隨回火溫度升高,正方度減小。不同溫度回火,高碳馬氏體的分解將以雙相分解和單相分解的方式進(jìn)行:為什么?表1高碳馬氏體正方度和碳含量及回火溫度的關(guān)系回火溫度回火時間a,Acc/aC%室溫10年2.8462.880,3.021.012,1.0620.27,1.41001h2.8462.882,3.021.013,1.0540.29,1.21251h2.8462.8861.0130.291501h2.8522.8861.0120.271751h2.8572.8841.0090.212001h2.8592.8781.0060.142251h2.8612.8721.0040.082501h2.8632.8701.0030.06說明:回火溫度低于125oC,隨著碳化物的析出,出現(xiàn)兩種正方度的相;回火溫度高于125oC后,只有一種正方度。即隨回火溫度不同,高碳馬氏體中碳化物析出方式不同。(1)馬氏體的雙相分解回火溫度在125~150oC以下在碳原子富集區(qū)析出碳化物,使周圍變成低碳區(qū),遠(yuǎn)處為高碳區(qū)。低溫下濃度差不能消除。隨著亞穩(wěn)的-碳化物的析出,出現(xiàn)兩種正方度的相:高正方度的未分解馬氏體、低正方度的碳已部分析出的相。溫度低時,碳原子不能做遠(yuǎn)程擴(kuò)散,碳化物不能繼續(xù)長大,只能在其他高碳區(qū)析出碳化物。隨時間延長,高碳區(qū)減少而低碳區(qū)增多,析出碳化物增多,但兩種相的碳含量不變。低碳區(qū)的碳含量與馬氏體原始碳含量及分解溫度無關(guān):為一恒定值0.25~0.3%。雙向分解的速度與溫度有關(guān):溫度越高分解速度越快。(2)馬氏體的單相分解回火溫度高于125~150oC,馬氏體連續(xù)單相分解。碳原子活動能力增強(qiáng),相的碳含量及正方度隨分解過程的進(jìn)行而下降。溫度達(dá)到300oC時,正方度接近1,馬氏體的脫溶分解結(jié)束。相內(nèi)的碳濃度梯度可通過擴(kuò)散消除。2、低碳馬氏體的分解低碳鋼:Ms點(diǎn)較高,淬火時伴隨自回火。由于馬氏體在自回火時已析出了碳化物,所以在100~200oC之間回火時,低碳板條狀馬氏體不析出碳化物,碳原子仍偏聚在位錯附近。當(dāng)回火溫度高于200oC時,才可能發(fā)生單相分解。3、中碳鋼:淬火時得:板條M+片狀M回火特征:低碳馬氏體+高碳馬氏體分解

小結(jié):在回火第一階段,隨回火溫度升高,固溶于正方馬氏體中的過飽和碳不斷以微小碳化物析出,最終變成立方馬氏體。原始碳含量不同的馬氏體,在高于200oC以后碳含量趨于一致,如圖回火第一階段產(chǎn)物:立方馬氏體+微小-碳化物的混合組織——回火馬氏體。三、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(回火第二階段)溫度在200~300oC之間時,殘余奧氏體向低碳馬氏體和-碳化物分解(回火馬氏體),分解過程受已轉(zhuǎn)變的馬氏體的影響。1、殘余奧氏體向珠光體及貝氏體的轉(zhuǎn)變:淬火鋼加熱到Ms點(diǎn)以上、A1點(diǎn)以下的高溫區(qū)等溫,殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w;中溫區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。一定量馬氏體的存在能促進(jìn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變馬氏體量達(dá)到一定后,將使殘余奧氏體穩(wěn)定化貝氏體均在馬氏體與殘余奧氏體的交界面上形核,故一定量馬氏體的存在能促進(jìn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。2、殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變(1)等溫轉(zhuǎn)變成馬氏體溫度:低于Ms點(diǎn)等溫受已轉(zhuǎn)變的馬氏體分解所控制,轉(zhuǎn)變量很少。(2)二次淬火成馬氏體目的:消除奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象定義:將淬火鋼加熱到較高溫度回火,保溫時殘余奧氏體不分解,在回火冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的現(xiàn)象稱為“二次淬火”

。四、碳化物析出(回火第三階段)回火溫度:250~400oC轉(zhuǎn)變:亞穩(wěn)的-碳化物向穩(wěn)定的-碳化物轉(zhuǎn)化。方式:-碳化物的溶解和-碳化物重新從M基體中析出。組織:回火托氏體(鐵素體+片狀或小顆粒狀滲碳體)。-碳化物:Fe2C~Fe3C,與基體之間保持共格;-碳化物細(xì)小薄片長約100nm、直徑5nm左右,慣習(xí)面{100}′-碳化物:Fe5C2,薄片狀,復(fù)雜斜方點(diǎn)陣,與基體有位相關(guān)系;慣習(xí)面{112}′-碳化物:滲碳體Fe3C,復(fù)雜斜方點(diǎn)陣;慣習(xí)面{110}′{112}′碳化物轉(zhuǎn)變的兩種方式:原位轉(zhuǎn)變:舊碳化物通過成分改變和點(diǎn)陣改組轉(zhuǎn)化為新碳化物。獨(dú)立形核:新碳化物在其它部位形核、長大,使母相碳含量下降,細(xì)小的舊碳化物重新溶入母相消失。碳化物轉(zhuǎn)變方式主要取決于新舊碳化物與母相的慣習(xí)面和位相關(guān)系:相同時原位轉(zhuǎn)變:如

不同時獨(dú)立形核:如,

1、高碳馬氏體中的碳化物析出隨回火溫度升高,淬火高碳鋼回火中的碳化物轉(zhuǎn)變過程為:′(與基體共格,條狀薄片,<250℃,慣習(xí)面{100}′)(沿孿晶面析出,薄片狀,>250℃,慣習(xí)面{112}′)

(與基體共格,條片狀,>300℃,慣習(xí)面{110}′{112}′)+++2、低碳馬氏體中的碳化物析出

馬氏體自回火可在位錯處析出細(xì)針狀-碳化物;溫度高于200oC時,未發(fā)生自回火的M在位錯處直接析出細(xì)針狀-碳化物;板條界間析出薄片狀-碳化物;回火溫度提高到500oC時,板條內(nèi)的碳化物將重新溶入相中,板條界間的碳化物長大到200~300nm;3、中碳馬氏體的碳化物析出含碳量:0.2~0.6%在200oC以下回火時,先析出亞穩(wěn)的-碳化物,隨回火溫度的升高,亞穩(wěn)的-碳化物將直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的-碳化物。由板條馬氏體中析出的碳化物呈薄片狀分布在板條界面上;由孿晶馬氏體中析出的碳化物呈條片狀分布在孿晶界面上;回火托氏體:在350~500℃進(jìn)行中溫回火以后得到,由細(xì)小的粒狀滲碳體和鐵素體組成。五、相狀態(tài)變化及碳化物聚集長大

(回火第四階段)溫度:高于400oC內(nèi)應(yīng)力消失,片狀滲碳體將球化并聚集長大,鐵素體基體將發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶回火組織:回火索氏體—等軸鐵素體+粒狀滲碳體隨回火溫度升高,原子活動能力增強(qiáng),晶體內(nèi)缺陷及各種殘余內(nèi)應(yīng)力均逐漸下降1、內(nèi)應(yīng)力消失第三類內(nèi)應(yīng)力:由于碳原子過飽和固溶使晶格畸變、以及保持共格關(guān)系使晶格彈性畸變所引起的內(nèi)應(yīng)力。隨回火溫度升高,原子活動能力增強(qiáng),在回火溫度達(dá)到300oC時,馬氏體分解完畢,第三類內(nèi)應(yīng)力也基本消失;第二類內(nèi)應(yīng)力:由于工件中幾個晶粒內(nèi)的溫度不一致和相變不同時而造成的微觀區(qū)域性的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)回火溫度達(dá)到500oC時消失;第一類內(nèi)應(yīng)力:由工件內(nèi)外溫度不一致和相變不同時而造成的宏觀區(qū)域性的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)回火溫度高于550oC時,-FexC轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體且長大、與母相的共格關(guān)習(xí)已破壞,所以內(nèi)應(yīng)力消失。2、回復(fù)與再結(jié)晶(

相的形態(tài)變化)中低碳鋼:板條狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯,馬氏體晶粒形狀為非等軸狀?;貜?fù)階段:晶體中的位錯將通過滑移和攀移而逐漸消失,剩余位錯重新排列成位錯墻而形成亞晶粒?;鼗饻囟雀哂?00oC時,相的形態(tài)為寬板條狀。再結(jié)晶:回火溫度高于600oC,回復(fù)后的相開始發(fā)生再結(jié)晶,形成等軸晶粒,板條消失。顆粒狀碳化物均勻分布在等軸相晶粒內(nèi)。

高碳鋼:淬火所得片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶?;鼗饻囟雀哂?50oC時,孿晶開始消失;回火溫度達(dá)到400oC時,孿晶全部消失;出現(xiàn)胞塊。回火溫度高于600oC時,發(fā)生再結(jié)晶。碳化物釘扎晶界而阻止再結(jié)晶,所以高碳馬氏體的再結(jié)晶溫度高于中低碳鋼。3、碳化物的聚集長大回火溫度高于400oC時碳化物開始聚集長大,回火溫度高于600oC時碳化物迅速長大長大機(jī)制:小顆粒溶解、大顆粒長大,使碳化物球狀化。第二相粒子的半徑越小,溶解度越大,將在基體內(nèi)形成濃度梯度?;鼗鹚魇象w:淬火鋼在500~650℃回火后得到,由粒狀滲碳體與鐵素體組成小結(jié):淬火碳鋼隨回火溫度的升高,發(fā)生的轉(zhuǎn)變主要是:馬氏體中碳原子的偏聚馬氏體分解(回火第一階段)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變(回火第二階段)碳化物析出(回火第三階段)內(nèi)應(yīng)力消除、相的回復(fù)與再結(jié)晶、碳化物的聚集長大(回火第四階段)如表9.1

第二節(jié)合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響一、合金元素對馬氏體分解的影響非碳化物形成元素Ni和弱碳化物形成元素Mn與碳的結(jié)合力小,對馬氏體分解無明顯影響;強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti阻礙C的擴(kuò)散,減慢馬氏體的分解速度;非碳化物形成元素Si、Co能溶解到碳化物中,使碳化物穩(wěn)定。推遲馬氏體的分解;合金元素的作用:通過影響碳的擴(kuò)散而影響馬氏體的分解過程以及碳化物粒子的聚集長大速度,來影響碳濃度的下降速度。加入合金元素可提高碳的完全脫溶溫度,從而使合金鋼在較高溫度時仍保持高的硬度和強(qiáng)度,這種性質(zhì)稱為合金元素的“抗回火性”。二、合金元素對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素可改變殘余奧氏體分解的溫度:在Ms點(diǎn)以下回火時,殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,Ms較高時還發(fā)生自回火;在Ms點(diǎn)以上回火時,殘余奧氏體有三種轉(zhuǎn)變:在貝氏體區(qū)等溫轉(zhuǎn)變成貝氏體,在珠光體區(qū)等溫轉(zhuǎn)變成珠光體,加熱、保溫過程中不分解,冷卻時轉(zhuǎn)變成馬氏體(二次淬火)。二次淬火應(yīng)用:高速鋼W18Cr4V熱處理工藝:1280C,淬火;560C三次回火1h。三、合金元素對碳化物轉(zhuǎn)變的影響非碳化物形成元素只提高-碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)變的溫度。強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈推遲-碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)變,且滲碳體會轉(zhuǎn)變成特殊類型碳化物。合金鋼:隨回火溫度升高或時間延長,合金元素將在滲碳體和鐵素體相之間重新分配,碳化物形成元素向滲碳體中擴(kuò)散,形成更穩(wěn)定的特殊碳化物;非碳化物形成元素向相中擴(kuò)散。合金鋼回火時碳化物轉(zhuǎn)變的可能順序?yàn)椋?碳化物(<150C)→滲碳體(150~400C)→合金滲碳體(400~550C)→亞穩(wěn)特殊碳化物

(>500C)→穩(wěn)定特殊碳化物特殊碳化物的形成取決于:合金元素的性質(zhì)和含量、碳和氮的含量、回火溫度和時間等。特殊碳化物形成機(jī)制:

原位轉(zhuǎn)變:先在滲碳體中富集,過飽和時滲碳體點(diǎn)陣改組成特殊碳化物點(diǎn)陣,提高溫度可加速轉(zhuǎn)變過程。單獨(dú)形核:直接從相中析出特殊碳化物,同時有合金滲碳體的溶解。四、回火時的二次硬化現(xiàn)象碳鋼:在回火第三階段,隨溫度升高,滲碳體顆粒長大,硬度將不斷下降.合金鋼的二次硬化:當(dāng)馬氏體中含有足夠量的碳化物形成元素時,在500oC以上回火,將會析出細(xì)小的特殊碳化物,使軟化的鋼再次硬化。二次硬化產(chǎn)生原因:彌散、細(xì)小的特殊碳化物的析出;相中的位錯密度;碳化物與相之間的共格畸變。提高二次硬化效應(yīng)的方法:

1、增大鋼的位錯密度:低溫形變淬火。

2、鋼中加入某些合金元素:減慢特殊碳化物形成元素的擴(kuò)散、抑制細(xì)小碳化物的長大。二次硬化的應(yīng)用:熱狀態(tài)下使用的工件。五、合金元素對相回復(fù)和再結(jié)晶的影響合金鋼中的常用合金元素:均具有阻礙回火時各類畸變消除的作用,且延緩相的回復(fù)和再結(jié)晶以及碳化物的聚集長大,從而提高鋼的回火穩(wěn)定性。鋼中加入幾種合金元素,其相互作用加劇。合金鋼的性能特點(diǎn):高的回火穩(wěn)定性,高的紅硬性,高的熱強(qiáng)性。合金鋼的應(yīng)用:切削刀具,熱作模具,工具鋼.淬火鋼回火的主要目的:提高韌性和塑性,獲得韌性、塑性和強(qiáng)度、硬度的良好配合?;鼗鸱N類:低溫回火、中溫回火、高溫回火。

150-250C,250-500C,500-650C隨回火溫度和回火時間的變化,力學(xué)性能將發(fā)生變化:淬火后的硬度主要取決于回火溫度,與回火時間的關(guān)系較小。總趨勢:隨回火溫度的升高,鋼的硬度和強(qiáng)度連續(xù)下降,而塑性和韌性不斷上升。第三節(jié)回火時力學(xué)性能的變化回火產(chǎn)物的力學(xué)性能:回火馬氏體:低溫回火得到的過飽和相和—碳化物。具有很高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性以及一定的韌性和塑性。硬度達(dá)HRC(61~65),用于工具、量具鋼、混動軸承鋼等。

回火屈氏體:中溫回火得到的尚保留著馬氏體形貌特征的鐵素體(仍過飽和)和片狀(或細(xì)小顆粒)滲碳體。具有較高的彈性極限和一定的韌性,可用作彈簧鋼?;鼗鹚魇象w:高溫回火得到的等軸狀鐵素體+較細(xì)小顆粒狀滲碳體的組織。具有較高的屈服強(qiáng)度、韌性和塑性,具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性、塑性的配合??沙惺芨鞣N復(fù)雜受力條件,如發(fā)動機(jī)主軸等。一、硬度和強(qiáng)度的變化低碳鋼:200C以下硬度變化不大;250C以下,彈性極限隨回火溫度升高而增大。高碳鋼:100C回火時,碳原子偏聚、-碳化物析出使硬度稍升;200~300C時,殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體分解產(chǎn)生硬度平臺。合金元素:減小硬度和強(qiáng)度降低的趨勢。二、塑性和韌性的變化總趨勢:強(qiáng)、硬度下降,塑、韌性升高。高碳鋼低于300C回火時塑性幾乎為零低碳鋼有良好的性能回火脆性:隨回火溫度升高,沖擊韌性在某個溫度區(qū)域內(nèi)反而下降。三、鋼的回火脆性1、第一類回火脆性溫度范圍:250~400oC,低溫回火脆性。主要特征:在高溫區(qū)回火可消除脆性,既不可逆回火脆性;與回火后的冷卻速度無關(guān);斷口為沿晶斷裂。影響因素:(1)化學(xué)成分:1、有害元素S、P、N、O、H將導(dǎo)致出現(xiàn)第一類回火脆性;2、Mn、Si、Cr、V促進(jìn)第一類回火脆性或?qū)⑵渫葡蚋邷兀?、Mo、W、Ti、Al將減弱第一類回火脆性;(2)奧氏體晶粒越大、殘余奧氏體量越多,第一類回火脆性越大。第一類回火脆性形成機(jī)制簡介:殘余奧氏體轉(zhuǎn)變:溫度相應(yīng),晶界析出碳化物;新生成碳化物:沿條界、束界、晶界析出引起的;晶界偏聚:奧氏體化時雜質(zhì)元素在晶界、亞晶界偏聚所至。預(yù)防辦法:不能消除,只能減輕。降低鋼中雜質(zhì)元素含量;細(xì)化奧氏體晶粒,以減少殘余奧氏體量;加入Mo、W、Al等減輕第一類回火脆性的元素;加入Cr、Si調(diào)整產(chǎn)生第一類回火脆性的溫度范圍;采用等溫淬火獲得下貝氏體組織,代替淬火加回火工藝。2、第二類回火脆性溫度范圍:450~600oC,高溫回火脆性。性能特點(diǎn):沖擊韌性下降;強(qiáng)度、塑性不變。主要特征:對回火后的冷卻速度敏感:緩冷時產(chǎn)生第二類回火脆性,快冷時可消除或減弱;有可逆性:韌化狀態(tài)的鋼,再經(jīng)脆化處理則脆化端口為沿晶界斷裂。影響因素:(1)化學(xué)成分:P、S、B、Sn等引起合金鋼(含Ni、Cr、Mn)的第二類回火脆性;雜質(zhì)元素與Ni、Cr、Mn等同在時促進(jìn)第二類回火脆性;Mo、W、V、Ti等抑制第二類回火脆性。(2)熱處理工藝參數(shù):與回火溫度和回火時間有關(guān),等溫脆化動力學(xué)曲線呈“C”字形;與冷速有關(guān)。(3)組織因素:任何組織的鋼經(jīng)脆化處理后均可產(chǎn)生回火脆性,馬氏體最嚴(yán)重、珠光體最輕。(4)奧氏體晶粒度:晶粒越大,回火脆性越敏感。預(yù)防方法:1)選用高純度鋼:以降低鋼中的雜質(zhì)元素含量;2)細(xì)化奧氏體晶粒:以降低單位晶界面積雜質(zhì)元素的含量;3)加入能抑制第二類回火脆形的合金元素:Mo、W;4)避免在450~600°C之間回火;快冷;5)形變熱處理以細(xì)化晶粒。1、回火溫度的選擇和確定:取決于工件的使用性能、技術(shù)要求、鋼種、淬火狀態(tài)。回火工藝的分類:按回火溫度及組織變化分為:低溫回火、中溫回火、高溫回火。按回火部位分為:全部回火、局部回火。按加熱速度分為:普通回火、快速回火。第四節(jié)回火工藝(1)低溫回火:溫度低于250C的回火:目的:要求有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及一定韌性的淬火零件,在150~

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