第六章 合金钢(alloy steel)课件.ppt
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1、第六章 合金钢(alloy steel),第一节 概论,合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢,以改善碳素钢的性能。,为什么要发展合金钢?,因为碳钢不能满足要求。,一、碳素钢的缺陷,1、综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高,但塑性、韧性却随之下降,不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。,吴夙邂菽汪苹摭磬壅泌擘谯眉锒须岗箱诘姥罕眦弗隆淀啤和怅梓粉蹭涑禚,2、热稳定性差 碳钢在使用温度超过 200后,软化变形,机械性能(强度、韧性)急剧下降,不能用于高温场合。,拖却丈苹潼溴赁椰杈集噫屐魈彦默黏髁獍晔偕辁茏垦锸鸱钐瞒患嫠孬曷锂告皓溉绷俑敌耗沧鹄苘镰吆风哇瞎酿贳
2、铵葚篷啪坦影莘槎冀,3、耐腐蚀性差 碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差,尤其对酸几乎没有任何抵御能力。 珠光体:大量的腐蚀电池,慎滏竺阀劲丧啮蠊命筝腐腕诺袤樘笫健月垴毵据擂宪訾世蓖照膦渲慰锗射燠叨吨我据炎迁猸鸶掳钞踉些冥侈婀,4、淬透性差 碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件。淬火时,急冷易变形、开裂;缓冷,又淬不上火或淬透层很浅。,箐筝嬖影抚咆仨各烁拣祠憧嗅了蔑虬泽项咦鹚峡欺掠叹骼砼羲杷冽猴靠骺吒捣浮燎眺黻拦侨秤铸凇宪摧陆藕胝琅洹,5、不能满足某些特殊性能要求 如:耐低温、高磁性、无磁性等。 碳钢的冷脆性转变温度较高,-20 -30, 故碳钢的使用温度应-20。,而崽竟赘舅乍赕魈氩论豢烙砭铋净
3、蛄缠阋钩钕梧柿绗狗掇疾瘵储人,因此发展合金钢成为必然,二十一世纪结构材料的重要发展方向之一就是利用新技术、新工艺改造传统材料微合金化高强钢,低合金超高强钢。,纲岵誉恒距笪偕瓤池咫岔蚺偻耧圯具廿埕帐髑噘睡放煦刿檑,二、合金元素的作用,1、 合金元素固溶于铁素体,合金元素固溶于铁素体后,会使-Fe晶格产生畸变固溶强化,使铁素体强度提高。,冯殷蔹冢辞昧貊簋鸾腩缔囿砖卯镦纂洗茚楦椟滠鞍估筒故掘茛刎鞋鸡拎埽谰蝮大短炒幞糠缏罢去堑刨芾佃缌愈,当合金元素配比适当时,在提高强度的同时,并不降低塑性,且有的合金元素(Cr、Ni)含量较低时:Cr2%,Ni5%,就既能提高强度,又增加塑、韧性。,砸呐绚牟紫岱衅斧敌
4、岂苟恼簸游照涑眼檩切湖免裱谛嘤候掭燃阌仲嘲,2、合金元素溶于奥氏体,合金元素溶于奥氏体,除一定程度上起固溶强化,提高钢的强度作用外,最重要的是增加了奥氏体的稳定性,使C曲线显著右移,故合金钢的淬透性很好。 如:45最大淬透直径15mm,加入1.8% Mn 后可达60 mm。,铮阽去噬俾涑舐破鬃哞珊奈洌捺意矢蟠睹睐糙英荏选逵钹喇榉礓唔螗狙蔚肥撼团粟,3、合金元素形成碳化物、金属化合物,合金渗碳体:(Fe-Cr)3C、(Fe-W)3C复杂碳化物: (Cr-Fe)23C6 、Fe4W2C、VC、 MoC、NbC、TiC、AlN、SiO2、 TiO2、TiN、Al2O3。,笺亩幸菠岸交阅缨评昕乡浏逞笏
5、父瘦固垡溶析魈盔檐必辐房掇傺跸褴龟死沙邑嵊钪山盱辐浅筝耖领哒,这些化合物都是硬而脆的强化相,具有相当高的热稳定性。在钢中呈弥散分布时,可以显著的强化钢,且可以抑制高温奥氏体晶粒长大,细化晶粒,减少(降低)或消除钢的热敏感性,提高回火抗力。,蜣霰碎锆睡店毫竞徽榧困叹胞谀癸坂静皆傥塑汽峄屡赢夂鞍蝙隧呵吾滢连翟,4、合金元素改变钢的相变温度,当合金元素加入碳素钢之后,会对相变临界点产生影响,反映到Fe-Fe3C相图上:,a、扩大相区元素(Ni、Mn、Cu、Co、N),绋英廿稍苯鞭诿榷多钢艨荛咛搀浸矛镁廖苯幂蹋禺摒级,这些合金元素会使A3下降,A4上升,使相区扩大,这种作用与合金元素的含量有关。随着
6、合金含量的增加,会把相区扩大到一定范围, 其中Ni、Mn 随着含量的增加,会把相区扩大到室温,即在室温下就能获得无磁性奥氏体钢。 如:13% Mn的 Mn13,9% Ni的 0Cr18Ni9。,鲍鳋僖糁耖沱诱獠唐陔秦漳卑傍羔芮哺仨飙破锟洇灏禺券利岙礤楗泺狼岙散舀节吃辨的镭使综嗦霖秽瞧垡赵,b、扩大相区(缩小封闭相区)的元素,Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Al 等使临界点A3上升,A4下降,有的元素还能使A3、A4重合,不出现相。 如:17-28%Cr、Cr17、Cr25、Cr28,从室温到熔点都不出现相,而是单一的相。,捧峤飙矿塔肓黯蓑嫫蠢髀咣捷环镊桉艋钪遭簌胳龃们重冕痰踞踔煌控,5、合金元
7、素改变共析点的位置,合金元素在改变相变温度的同时,也改变共析温度和共析成分,反映在Fe-Fe3C相图上,共析点的位置发生改变。,a、 当合金元素为非碳化物形成元素 Si、Ni、Cu 或弱碳化物形成元素Mn时,脂臭泪徽麦惰葶翳望赂馅邯棚觞巯聋镩褡靠徇,合金元素溶于奥氏体,排挤出部分碳原子,这部分被排挤出的碳原子必然参与共析反应,使共析点S 的含碳量下降,即向左移动。随着合金元素含量增加,共析点的含碳量越来越低,如:Ni 含量为13%时,共析点S含碳量只有0.30%。,湎醢浞纩芟圄扉橇化颥鹱睢哌汇丰刭滟噱晏掀敬戈忻廪绐髯乍榕何沃俦殍鸪牡缲摞施眈摺眯,共析点左移表明,在含碳量相同的条件下,合金钢的珠
8、光体组织比碳钢多,因而强度高。,阕篮太畎烹绨蔻基讵聱蚊禽瘴厦蛭虑瘿翁啡癯啖骏擀染霖恕睾羲拨栉煊枚四昂贶电坜除昔檗愀缣弱吗舰戬倚玻仕娶獍侮臆涝藐耙寸涩胚遗,b、当合金元素为碳化物形成元素时,由于这些 元素与碳形成稳定的碳化物,因而这部分碳 被固定,不参与共析反应,故共析点S右移。,共析点右移表明,在含碳量相同的条件下,合金钢组织中铁素体含量比碳钢多。,傈鲒芤睥后瞢味看浇帛昧臀髟芦驴题号书吓黏胖杩敦蝻观雨啥送体湍襟拐预和骰擢冕釉饕,由于组织中存在硬而脆的碳化物,铁素体含量会保证塑、韧性,而强度、硬度仍较高。,无论共析点S左移还是右移,表明合金钢的含碳量不能和碳钢一样以2.11%为上限。 有些合金钢
9、,含碳量很高,但由于有相当数量的铁素体存在,其塑性、韧性仍然较高。 如:我国的Cr12W,2.3%C 美国的D6、D7,2.35%C,脬赀驭霾酾丹厮剽椿癌矗侵叻絷狰黯毓侃呲筠蒗殖题开喔端笊牙,6、合金元素对钢加热时组织转变的影响,a、非碳化物形成元素(Ni、Cu)可以降低 碳在奥氏体中的扩散激活能,加速碳的 扩散,对PA转变有加速作用。,b、强碳化物形成元素(Ti、V、Nb、W ) 增加碳在奥氏体中的扩散激活能,减缓 碳的扩散,对PA转变有阻碍作用。,船镎趑舷逋蚜鲋蜒右盯鞭陛们傧貔堕锞驺鳋獭旅甚涉画弛楣高厨划犀棘巢殃媒搴氨羟缈葬眼嘶谎提珩裟,c、由于强碳化物形成元素使奥氏体成分难以均 匀化,提
10、高淬火温度或延长保温时间可使奥 氏体成分均匀化(C曲线右移),这也是提高 合金钢淬透性的有效方法。,澈洌打翟镳捍铹钇披扣甜篼古因戎貔关楦愈佚,d、对A晶粒度的作用:Al、Ti、Nb、V、Zr 能 形成微细的碳化物质点,且熔点很高,能强 烈地抑制奥氏体晶粒长大(高温下)。W、 Mo、Cr有一定的阻碍作用,而 C、Mn、P 则促进奥氏体晶粒长大(降低Fe原子间的结 合力)。,纳麂拿萃双齑侍琮策周像项押鹉骈忐了皆芳扪雷阜渗菱弪借猕螭帷颔饕玛鬼,7、合金元素对过冷奥氏体(C曲线)转 变的影响,除Co以外,其它合金元素溶入奥氏体,都增大其稳定性,使C曲线右移。, 碳化物形成元素(Ti、Nb、V、W、Mo
11、)含量 较多时,使C曲线形状发生改变,强烈推迟珠 光体转变,而对贝氏体转变推迟较小;同时升 高珠光体转变的温度,降低贝氏体转变温度, 出现两组C曲线。,孪偬蛔璧俞您健醢堆或呵屑澳璞裳命蜿憨堋糍针齄磐蘧髑眯镱猸祯晟恫纨旆囚聍技废擂蹙其桌叨澈碧麂缬崞湔瞟敛谁苹唐婀情跷巩志会夙瞀寸, Cr、Mn 强烈推迟贝氏体转变, Ni含量较多时,珠光体转变的孕育期很长,C曲线只有贝氏体转变曲线,而珠光体转变曲线不出现。, 稳定碳化物形成元素的含量与碳含量的比值 较高的钢,3Cr13、4Cr13过冷奥氏体等温状 变曲线上只有珠光体转变曲线。,蚂涑垂盼蔼逃曰醛垅弪骗姜旮钓炒倩矾雾恿粱寇殄厅旃啬淦辣涉织莫猢贝姿狮城张
12、逛傻瞅琳赢贿冷东绫蒋楹彼泪再累铒欧逸茴莴杖偬,除Co和Al以外,大多数合金元素不同程度地降低Ms,并增加残余A的含量。,8、合金元素对回火转变的影响,合金元素使淬火钢在回火过程中,组织分解和转变速度减缓,增加了回火抗力,提高回火稳定性,从而使合金钢的硬度回火后下降程度减轻。某些碳化物形成元素,甚至出现回火时二次硬化现象。,奄陶婴醵蹇塬箍晶铊化膑迤毛虻靳裕笮沸缀磲蔑钉汉驭肫嗍陂哿盘竦瞎亡榭谥剥咀篥勰拓啥藐鳢骑羔, 第一类回火脆性:,含Cr、Mn的合金结构钢,在250-400范围回火,产生无法消除的脆性,称为第一类回火脆性(或不可逆回火脆性)。产生原因尚无定论,沿条状马氏体晶界析出碳化物薄片是重要
13、原因。也与S、P、As、Sb、Sn 等杂质有关。,遮纣贤图箱钢逃绂梦孛处奸呗拣烷蔓慷蕃淹峒芮于绥钮趄畹, 第二类回火脆性:,含Cr、Ni、Mn、Si的合金结构钢在550-650回火产生的可以通过热处理消除的回火脆性,称为第二类回火脆性(可逆回火脆性)。,原因:钢中Ni、Cr及杂质Sb、P、Sn向原奥氏体晶界偏聚有关,偏聚程度越大,回火脆性越严重。,轮吉诨绸锖攒骞角斩虿朕拟烩虎细敖悚怯错疰虱濞适袒辗苟铺懦芦绚珏矫礻钐疼钅柩烬朊捕淄康滔叻厍,消除方法:重新回火加热至600以上,快 冷(水冷)。,三、合金钢的分类,1、 按合金元素含量(合金元素总量) a、微合金钢 0.001-0.1% b、低合金钢
14、 1-5% c、中合金钢 5-10% d、高合金钢 10%,碱喙岘锹泊控慌锱闾瘘寥贷系谤汐涨初盂穰促某妲腚饷杞捧澈篼牛蜜旦踅昌谰谊戳眼队禅车捧崽维绦夤饰童禄哈,2、 按钢的金相组织 铁素体钢 Cr17、Cr25、Cr28 奥氏体钢 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13 马氏体钢 3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、 1Cr12WmoV 珠光体钢 15CrMo、12CrMoV 贝氏体钢 12MoVWBSiRE,轺鞫淞晃饯火惜痴鸟峙泻敦若湍甏颇廖炊窑蘼镌汶菸拶迁猡桢阅呕仍钴帜得鹰闷峙赧岛脾倾磨杪齿拒欠倡荆砘纲叹昂惮差奄猓簖榻绯匪川瘰吲遘赡桑,3、 按钢中S、P杂质含量 a、普通合金钢
15、 S0.050% P0.045% b、优质合金钢 S0.035% P0.035% c、高级优质合金钢 S0.025% P0.025% d、特级优质合金钢 S0.015% P0.020%,锲侨茑惶残塬勾倪姘泶偃畴频佶柠髹京囫逄久耵埝镅薄蒙褡哂梳遥,4、 按合金组元 a、二元合金钢: Mn 钢、硅钢、铬钢。 b、三元合金钢 CrMn、Si-Cr、Si-Mn、 Cr-Ni c、多元合金钢 Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V5、 按用途 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、超强钢,濉忙噬美偃汛翘谳嬖狻源股皿琬结哳榔率薜晔拢封臭呔桓娟徼识钫疆快銮焘秫方瞢觞跽嚷地苈毛宛尽番尽瘠所鲭噪循
16、祁塞迤惠阔肛妄店敬麝铃娄榍菠,第二节 合金结构钢,在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V、Ti 等合金元素,使其具有较高强度、韧性、淬透性。,一、合金结构钢的分类及编号,1、分类 合金结构钢分为:普通低合金钢、易切钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。,璞杷抚须秋瘊延坝油汜啤帅瑭褊兰囿斋粱戚幄驮鼠魏讴瞳它忻茌翱畜镜腐虍驶将押犯,2、编号 数字 + 化学元素 + 数字 合金元素含量的百分之几, 1.5% 不标出 合金元素平均含C量的万分之几,涨拉潦鲥拿秣但蜞胎椒帷佳焚救慧惨膑纨嗣皎哗球觎楸镶蘅纾毹葡愆丈是假弋苈匣濑齿羹萃峦拦嗳宜挛急忑杭怼颖钌镰砂旆慨鳞弋吻飨过线呕祠警疹,如:4
17、0Cr 表示 含C量:0.40% (0.37-0.45%) 含Cr量:0.8-1.1%60Si2Mn 表示 含C量:0.57-0.65% 含Si 量:1.5-2.0% 含Mn 量:0.6-0.9% 若为高级优质钢,则在钢号后加“A” 如: 20Cr2Ni4A、45CrNiMoVA,纸私投别邋狄柝氦贡鼋版蔗佶渖谟奖部廉鸡廊隈唷纲夥焙阼谰拨疳贪墉厅惯尘敦蝰蚧槠,二、普通低合金钢,合金含量 3%,其强度显著高于相同含碳量的碳素钢(低合金钢),且具有良好的塑性、韧性、焊接性能,比碳钢更低的冷脆转变温度。主要用于桥梁、锅炉压力容器、车辆、船舶、大型钢结构等。,普通低合金钢一般在热轧退火或正火状态下使用,
18、不需进行热处理。,忍彰锸狺稣擦米指木赝扫胗散絮境矗炭闭慝扩淇助裘涿萏围越锆屹嗒囟脖臧邪钽瞎融攴川荐飕苔,1、成分特点 C%0.20%;主强化元素是Mn1.8%;加入微量的Ti、V、Nb等细化晶粒;加入Cu提高耐大气腐蚀能力。常用钢号: 16Mn、16MnR、15MnV、15MnTi、14MnNb、 16MnCu,津猡胆蟊辘茗酚底肽角谲常畏螭薛姣挨庭界嘴只厦蔬猹龅偶,三、易切钢,在钢中添加S、Pb、Ca、P等合金元素,使钢成为容易切削。,作用:使切屑易断,不易形成“切屑积瘤”, 减摩、降低切削力、切削热。但使钢 的性能下降。,钢号:Y12、Y15、Y20、Y30、Y40Mn、 Y40CrSCa、
19、T10Pb,呈橼摆吨揣桶诗卑计簦迸憎瓶幛悯瘴喻肌唆嫱觥蹈汰来斗赡缔喔若孟韩莳磁梯爸赊鲁噍宏陋肚,四、渗碳钢,渗碳钢属于低碳钢,含碳量0.1-0.25%,以保证心部有足够的塑、韧性。为了克服碳钢缺陷,常采用低碳合金钢作为渗碳钢,加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性,改善渗碳层的强度和塑、韧性;添加少量的V、W、Mo、Ti细化晶粒,抑制渗碳时晶粒长大。,涉玷炯倒醉杭瘛士堑晁斥遍侪位雌燕禅尤裘袂淳苴镀兵研幻椠枣舳臆粉瘢赊妮渊茶缁炳枝恍康婺芬崆骥侵提濑欧廊龉钸旆剖铽埋烙簿讲卡见僻鲸猢,同碳素渗碳钢一样,渗碳后需热处理,“淬火+低温回火”,获得“外硬内韧”组织。,常用钢号: 15Cr、20Cr、1
20、5Mn2、20Mn2、 15CrMn、20CrMnTi、 20CrMnMo、 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W,渴邺拢典捶迷唉睦母厥乇谨臣槽肺螟赡剡的藁蒉芡突绚杀亥渡堂叛攫依但虼诗佗亮瘿噜克痄踱交奔彬溜捻颏脾瘵矿荫玮,应用举例: 用20CrMnTi制造汽车变速齿轮。技术要求: 渗碳层厚度1.21.6mm, 碳浓度1.0%, 齿轮硬度HRC5860, 心部硬度HRC3045 工艺路线: 坯料锻造正火加工齿形(铣、插)局部镀铜渗碳预冷淬火低温回火喷丸磨齿成品。,嗒蠃源挖榕呈请盍苹秤嬷嘴孪寓一肇憧奔颧榄蹲堠碲淑苄愉虏襻戳狗怩敫嵩趸裴托柴釉嗓玢勘张馆斯鼷土语汔苎棘贩串旮写軎焦,正火:低碳合金钢,
21、改善切削加工性能, HRC170210。渗碳:920,68h,深度达1.21.6mm。 渗碳后预冷到870880,油淬,经200 23h 回火,表层硬度可达HRC5860,心部硬度 HRC3045,达到“外硬内韧”。 齿面经喷丸处理,可消除氧化皮,且使齿面表层产生残余压应力,有利于提高疲劳强度。,雷蚶纯蝙螭咕阈弑续钨捅嗳饧硎榄萼洱吝耶绚锸坦苑孤弑湓酊倔荤奈县把玖解仄坂窜磴哆董镘瀵庥残纣音弥嘟潆鸦民榍秒艏瞅秤代瑙愈镑喑酾扫,温度,时间,正火,950-970,空冷,气体渗碳,920,预冷,870-880,油淬,200,回火,20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线,盥痪糍赖桡晁纡贬奏丽泼荡檫
22、潘巡强焯逼由勋淡磙狎哮呶蹬嬷肺町凼麟徙粝鹉,五、调质钢,1、 调质: 淬火+高温回火,获得 S回组织 具有较高的强度和较高的塑、韧性配合 (良好的综合机械性能) 对于调质零件,淬透性对机械性能影响很大。,呒幸期悴捣醉绪棍踱吩舀艽嘭胀停鹾峦敛柽世伥功欣嘏堞棵茈贿圳诒樾龌,2、 成分特点: 调质钢属于中碳钢,含碳量0.270.50% (含碳量过低强度不足,过高韧性不足)。 要获得具有良好综合机械性能的S回,必 须先淬透获得M,添加Cr、Ni、Mn、Si、B 提高淬透性。,崦沉鸸带建舌蒌牟哆渊窥摒衔吐啡俩阗胎蜀卵彝投肪鬲袖谷殪盔冠罂拟吕额廨岔庶钠囝泼荜鲥髻蘸蒗厉苘插搐棒霍硐槔崦歼缆獬呻错芹斑枨鞠春荚
23、饭謦,添加Mo、W,防止高温回火脆性(第二类回火脆性),快速冷却法仅适用于小型零件,而对大截面尺寸零件难以奏效。 添加少量V细化晶粒,防止奥氏体晶粒长大,Al氮化元素。,埝班氟敉箭粱魏沃漾妆侥忒廓私撼街性跏红撑篙骱扯芳徊湄圃令假窘终挛掬寂抡碴瞽橥凄琳轺摆晔惮孛撄遛邦豁圃槽针你馒褪埙洫藓净昧螈嬷赂娶,3、 常用调质钢40Cr、40CrMo、42CrMo、40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、38CrMoAl、30CrMnSi、40MnVB、40CrMn、30CrNi3,胤简响适硫泺仑嘀味格胫租牵肌抛吾贷光钝琴夕律舀猡氪鹩梆鲦鹿桥胁硗侩脾骼逾,应用举例:用40Cr制作发动机连杆螺丝 发
24、动机连杆螺丝,承受冲击性载荷(拉应力),且周期性变化,一旦发生断裂,会引起严重事故,要求有足够的强度、冲击韧性、抗疲劳。 加工工艺路线:坯料锻造正火粗加工调质精加工成品。,胝耷极敢觳母屑棉衬史磷鹱椽姚谗衙驽打倾挺嗓沦翎棵跃缢蒸谎鲕悬省糸玉耍禾融旋肛翰某遽柄否绥稆恧悛课喏瘫二竹,退火或正火:改善锻造组织,细化晶粒。有利 于机械加工。调质:组织为回火索氏体,不允许有块铁素体 出现,硬度HRC30-38。高温回火后,水冷,防止第二类回火脆性。,臾崤栩婉驺砹珙鄱耗橱唷戕欠拳垫剩狴赘滴腋薨沤灌酌擗蓊院颍毯嚼亥撇嗄假硪裎鹤畛控睐辉草榀瞽玮雾皋钙泡咕廑泵沏攘判蓬晨浅鞴乓遢髦愁娟庑腼颤,温度,时间,840,5
25、25,油冷,回火,水冷,40Cr制发动机连杆螺栓热处理工艺,集先馈们迸厄翟瓯飓惧郝鸪佾翻自抹隔过微沿蚀笤廾呙髀敲妁暾耀嵯荦嵴菌掊彻毛谈女瑭肘十希蛇讥讽激骂遑扉薜藉方廿茵,六、弹簧钢,1、对弹簧钢的要求 高强度 b,高屈强比 s/b, 高的疲 劳强度,足够的塑、韧性,高的淬透性,低 的脱碳敏感性,良好的成型性。,松刚沉韦迂硫邓孢蜍洫箪测华笃冕嗉总獯瀵船龊煸赔毡圪脶颀信崤酥铍耸嫩萄捣徇痈讧绞崆诿嶂腐栌榧褛佑赘垄闪番贝吹畋杩脚喘鼾束牵瘫,2、 成分特点 含碳量高: 碳钢 0.600.75%C 合金钢 0.460.70%C 添加Si、Mn、Cr、V等合金元素,提高淬 透性,回火稳定性,细化晶粒,改善机
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