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文档简介
1、铁碳合金材料和钢的热处理铁碳合金材料和钢的热处理2课程大纲课程大纲n 选材的原则选材的原则n 铁碳合金材料铁碳合金材料n 铁碳合金相图铁碳合金相图n 钢的热处理钢的热处理3n 选材的原则选材的原则 使用性:材料的选择应保证汽车的安全性和质量可靠性。使用性:材料的选择应保证汽车的安全性和质量可靠性。 经济性:成本控制不仅是利润多少的问题,更关系到企业经济性:成本控制不仅是利润多少的问题,更关系到企业的市场竞争地位,若企业的全部成本低于竞争对手则能保的市场竞争地位,若企业的全部成本低于竞争对手则能保持竞争优势,相反的话,则影响企业的生存和发展。持竞争优势,相反的话,则影响企业的生存和发展。 工艺性
2、:要求材料适合加工。工艺性差的材料有以下缺点:工艺性:要求材料适合加工。工艺性差的材料有以下缺点:工装、加工成本高;生产过程浪费;半成品存在缺陷,质工装、加工成本高;生产过程浪费;半成品存在缺陷,质量难以保证。量难以保证。 选材的原则选材的原则n 材料在汽车上的应用材料在汽车上的应用 汽车工业中,从概念设计、生产制造到维修保养,始终贯汽车工业中,从概念设计、生产制造到维修保养,始终贯穿着工程材料学的应用。在众多工程材料中,铁碳合金材穿着工程材料学的应用。在众多工程材料中,铁碳合金材料与汽车关系最为紧密,约占料与汽车关系最为紧密,约占70%。4n 铁碳合金铁碳合金 铁碳合金是指以铁、碳为组元的二
3、元合金,包括钢和铁碳合金是指以铁、碳为组元的二元合金,包括钢和铁。(组元:组成合金的最基本的独立的单元,组元铁。(组元:组成合金的最基本的独立的单元,组元可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。)可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。) 分类:分类: 1.工业纯铁(工业纯铁(wc0.04%) 2. 碳钢(碳钢(0.04%wc2.11%)铁碳合金材料铁碳合金材料5n 铁碳合金的分类铁碳合金的分类 1. 工业纯铁(工业纯铁(wc2.11%) 分为白口铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁。分为白口铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁。 白口铸铁:断口白色,硬而脆,加工性差,是炼钢的原白口铸铁:断口白色,硬而脆,加工性
4、差,是炼钢的原料。料。 灰口铸铁:断口灰色,碳以片状石墨存在,铸造、切削灰口铸铁:断口灰色,碳以片状石墨存在,铸造、切削性和耐磨性好。用于机床底座、支柱等。性和耐磨性好。用于机床底座、支柱等。 球墨铸铁:碳以球状石墨存在,铸造、切削性和耐磨性球墨铸铁:碳以球状石墨存在,铸造、切削性和耐磨性好。除塑性韧性稍低外,其他性能接近钢,兼备铸铁和好。除塑性韧性稍低外,其他性能接近钢,兼备铸铁和钢的优点。用于汽车的零部件有齿轮、变速箱外壳、制钢的优点。用于汽车的零部件有齿轮、变速箱外壳、制动钳等。动钳等。铁碳合金材料铁碳合金材料73.碳钢:碳钢: 按含碳量分:低碳钢按含碳量分:低碳钢 wc 0.04%0.
5、25% 中碳钢中碳钢 wc 0.25%0.6% 高碳钢高碳钢 wc 0.6%2.11% 按合金含量分:碳素钢和合金钢按合金含量分:碳素钢和合金钢 合金钢是在碳素钢基础上加入一定量的合金元素得到的,合金钢是在碳素钢基础上加入一定量的合金元素得到的,使钢有更高的强度、塑性、韧性和焊接性。使钢有更高的强度、塑性、韧性和焊接性。铁碳合金材料铁碳合金材料8按按P、S含量分:普通碳素钢和优质碳素钢含量分:普通碳素钢和优质碳素钢 (1)普通碳素钢)普通碳素钢(P、S含量均少于含量均少于0.05%) Q195 Q275系列,大部分用于结构件,少部分用于机械零件。系列,大部分用于结构件,少部分用于机械零件。 常
6、用的有常用的有Q235 (旧牌号为(旧牌号为A3 ) ,标准号,标准号 GB/T 11253-1989,韧性良好,有一定的强度和伸长率,铸造、冲压和焊接性良韧性良好,有一定的强度和伸长率,铸造、冲压和焊接性良好,可用作心部强度要求不高的渗碳件或氰化零件。好,可用作心部强度要求不高的渗碳件或氰化零件。 用于制作如钢筋、铆钉、轴、连杆、螺栓、螺母、气缸、齿用于制作如钢筋、铆钉、轴、连杆、螺栓、螺母、气缸、齿轮、支架、机架及焊接件等。轮、支架、机架及焊接件等。铁碳合金材料铁碳合金材料9 (2)优质碳素钢)优质碳素钢 (P、S含量均少于含量均少于0.04%) 0885系列系列,15Mn70Mn系列含锰
7、钢和系列含锰钢和DC系列钢。系列钢。 45#钢:强度较高,有一定的塑性和韧性,切削性能良好,淬透性较差。钢:强度较高,有一定的塑性和韧性,切削性能良好,淬透性较差。调质后可得到很好的综合力学性能,焊接性较差,一般淬火及回火后调质后可得到很好的综合力学性能,焊接性较差,一般淬火及回火后使用。用于制造较高强度的机械运动零件,如空压机、泵活塞、重型使用。用于制造较高强度的机械运动零件,如空压机、泵活塞、重型机械的轴、齿轮、齿条、销等机械的轴、齿轮、齿条、销等 。 65Mn :具有高强度和高硬度、弹性良好、淬透性较好,是一种高锰弹:具有高强度和高硬度、弹性良好、淬透性较好,是一种高锰弹簧钢。退火后的切
8、削性尚好,冷作变形塑性差,焊接性不好,一般不簧钢。退火后的切削性尚好,冷作变形塑性差,焊接性不好,一般不适于作焊接构件,通常在淬火、中温回火状态下应用。经淬水及低温适于作焊接构件,通常在淬火、中温回火状态下应用。经淬水及低温回火或调质,表面淬火处理,用于制造受摩擦、高弹性、高强度的机回火或调质,表面淬火处理,用于制造受摩擦、高弹性、高强度的机械零件,如收割机的铲刀、切碎机切刀、机床主轴、机床丝杠、轴承械零件,如收割机的铲刀、切碎机切刀、机床主轴、机床丝杠、轴承套圈;经淬火、中温回火处理后,用于制造中负荷的板弹簧(厚度套圈;经淬火、中温回火处理后,用于制造中负荷的板弹簧(厚度5 mm15 mm)
9、,螺旋弹簧、离合器弹簧、制动弹簧、气门弹簧等。),螺旋弹簧、离合器弹簧、制动弹簧、气门弹簧等。 铁碳合金材料铁碳合金材料10n 汽车用钢:汽车用钢:按钢板强度升高依次排列:冷连轧低碳钢板按钢板强度升高依次排列:冷连轧低碳钢板 、烘烤硬化钢、双相高强度钢。、烘烤硬化钢、双相高强度钢。 冷连轧低碳钢板冷连轧低碳钢板 DC01 一般用,用于简单的成形件,如车门玻璃内密封条安装板。一般用,用于简单的成形件,如车门玻璃内密封条安装板。DC03 冲压用,用于较复杂的零件,如发动机罩内板、左冲压用,用于较复杂的零件,如发动机罩内板、左/右后轮罩内板、右后轮罩内板、顶盖前横梁和一般结构的加强板顶盖前横梁和一般
10、结构的加强板 。铁碳合金材料铁碳合金材料11DC04 深冲用,用于深冲压的零件,如左深冲用,用于深冲压的零件,如左/右后减振器安装板。右后减振器安装板。DC05 特深冲用(特深冲用(BUFD 特深冲用特深冲用宝钢标准宝钢标准Q/BQB408-2003,冲压用冷连轧碳素钢板,抗拉强度冲压用冷连轧碳素钢板,抗拉强度250MPa,断后伸长率为,断后伸长率为4248,用于侧围外板、后轮罩外板、车门内板等。)用于侧围外板、后轮罩外板、车门内板等。) DC06 超深冲用,用于后组合灯固定板。超深冲用,用于后组合灯固定板。铁碳合金材料铁碳合金材料12 烘烤硬化钢烘烤硬化钢 在钢中保留一定量的固溶碳、氮原子,
11、钢板在交货状态下具有较在钢中保留一定量的固溶碳、氮原子,钢板在交货状态下具有较低的屈服强度,冲压成型后,进行涂漆烘烤时屈服强度可以提高低的屈服强度,冲压成型后,进行涂漆烘烤时屈服强度可以提高30-50MPa。可以提高汽车外板的抗凹陷性,同时又具有良好的成型性。可以提高汽车外板的抗凹陷性,同时又具有良好的成型性能。广泛应用于汽车车门外板、发动机盖板等外覆盖件上。能。广泛应用于汽车车门外板、发动机盖板等外覆盖件上。铁碳合金材料铁碳合金材料13 双相高强度钢双相高强度钢 采用特定的化学成分和生产工艺在钢的铁素体基体上弥散分布一定量采用特定的化学成分和生产工艺在钢的铁素体基体上弥散分布一定量的马氏体,
12、形成以铁素体加马氏体为主的组织,具有屈强比低、应变的马氏体,形成以铁素体加马氏体为主的组织,具有屈强比低、应变强化指数高和良好的碰撞性能,可以在减轻重量的同时提高安全性。强化指数高和良好的碰撞性能,可以在减轻重量的同时提高安全性。 用于汽车防撞结构和加强件,用于汽车防撞结构和加强件, 如如B280-440DP用于散热器下横梁、前用于散热器下横梁、前柱上柱上/下加强板、前地板上横梁、门槛加强板和连接板等受力件。下加强板、前地板上横梁、门槛加强板和连接板等受力件。铁碳合金材料铁碳合金材料14n 热处理:热处理: 前面介绍了一些常见的材料,不同材料有不同的特性,前面介绍了一些常见的材料,不同材料有不
13、同的特性,没有一种材料能同时具备各方面的优点,因此需要用其没有一种材料能同时具备各方面的优点,因此需要用其长、避其短。长、避其短。 热处理能消除毛坯缺陷,改善后续加工的工艺性,还能热处理能消除毛坯缺陷,改善后续加工的工艺性,还能显著提高合金的力学性能。对于高碳钢零件,需要通过显著提高合金的力学性能。对于高碳钢零件,需要通过热处理降低硬度,改善切削性能;对于既要承受摩擦,热处理降低硬度,改善切削性能;对于既要承受摩擦,又要承受冲击负荷的零件,需要选择韧性材料,同时对又要承受冲击负荷的零件,需要选择韧性材料,同时对其进行表面处理。其进行表面处理。 热处理是将铁碳合金在固态下加热、保温、冷却以改变热
14、处理是将铁碳合金在固态下加热、保温、冷却以改变其组织,从而获得所需性能,热处理的重要依据是铁碳其组织,从而获得所需性能,热处理的重要依据是铁碳相图。根据加热和冷却方法的不同,把热处理分为整体相图。根据加热和冷却方法的不同,把热处理分为整体热处理、表面热处理、化学热处理。热处理、表面热处理、化学热处理。热处理技术热处理技术15Fe-C合金相图合金相图 n 铁碳合金的相图铁碳合金的相图 热处理工艺的重要依据是铁碳相图。(相,是合金系统热处理工艺的重要依据是铁碳相图。(相,是合金系统中具有相同化学成分的并与合金系统中其它部分独立的中具有相同化学成分的并与合金系统中其它部分独立的晶体结构,它包括固溶体
15、和金属化合物。)晶体结构,它包括固溶体和金属化合物。) 铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,反映铁碳合金在铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,反映铁碳合金在不同成分和温度下的组成相和相平衡关系,是应用最为不同成分和温度下的组成相和相平衡关系,是应用最为广泛的二元合金相图。广泛的二元合金相图。 16Fe-C合金相图合金相图 1、铁素体(、铁素体(F):碳溶于):碳溶于-Fe形成的间隙固溶体。形成的间隙固溶体。 性能性能-强度和硬度低,塑性和韧性好。强度和硬度低,塑性和韧性好。2、奥氏体(、奥氏体(A):碳溶于):碳溶于-Fe形成的间隙固溶体。高温组织,在大形成的间隙固溶体。高温组织,在大 于于 72
16、7时存在。性能时存在。性能-塑性好,强度和硬度高于塑性好,强度和硬度高于F。在锻造、。在锻造、 轧制时常要加热到轧制时常要加热到A,可提高塑性,易于加工。,可提高塑性,易于加工。3、渗碳体(、渗碳体( Fe3C ):铁与碳形成的金属化合物。):铁与碳形成的金属化合物。 性能性能-硬度高,脆性大,是铁碳合金的主要强化相。硬度高,脆性大,是铁碳合金的主要强化相。4、珠光体(、珠光体( P ):铁素体):铁素体F与渗碳体与渗碳体Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。 性能性能-力学性能介于上述两者之间。力学性能介于上述两者之间。5、莱氏体(、莱氏体( Ld ):奥氏体):奥氏体A与渗碳体与渗碳
17、体Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。 性能性能-硬度高,塑性差。硬度高,塑性差。17Fe-C合金相图合金相图n 特性线特性线 ACD:液相线,液相冷却至此开始析出固相,固相加热至此全部转:液相线,液相冷却至此开始析出固相,固相加热至此全部转化为液相。化为液相。 AECF:固相线,液态合金至此线全部结晶为固相,固相加热至此开:固相线,液态合金至此线全部结晶为固相,固相加热至此开始转化。始转化。 ECF:共晶线,共晶成分含碳量:共晶线,共晶成分含碳量4.3% ,凡,凡wC2.11%的铁碳合金冷的铁碳合金冷却至此,均会发生共晶反应,结晶出莱氏体却至此,均会发生共晶反应,结晶出莱氏体Ld (
18、 A与与Fe3C混合物)。混合物)。 GS:A开始析出开始析出F的转变线,加热时的转变线,加热时F全部溶入全部溶入A,又称,又称A3线。线。 ES: A开始析出开始析出Fe3C的转变线,又称的转变线,又称Acm线。线。 PSK:共析线,共析成分含碳量:共析线,共析成分含碳量0.77%,凡,凡wC0.0218 % 的铁碳合的铁碳合金至此金至此,其中的奥氏体其中的奥氏体A均会生共析反应,产生珠光体均会生共析反应,产生珠光体P ,又称,又称A1线。线。18Fe-C合金相图合金相图特性点特性点 A点:纯铁熔点点:纯铁熔点 1538 D点:渗碳体熔点点:渗碳体熔点 1227 C点:共晶点点:共晶点 11
19、48 S点:共析点点:共析点 727 19Fe-C合金相图合金相图n 共析钢的结晶过程示意图共析钢的结晶过程示意图20Fe-C合金相图合金相图n 亚共析钢和过共析钢的结晶过程示意图亚共析钢和过共析钢的结晶过程示意图21Fe-C合金相图合金相图22 钢的整体热处理钢的整体热处理对工件整体进行穿透加热的热处理工艺,包括退火、正火、淬火和对工件整体进行穿透加热的热处理工艺,包括退火、正火、淬火和回火等。回火等。 退火退火 钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度,经过保温钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度,经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的,是为了消除组织缺陷,改后缓慢冷却的热
20、处理方法。退火的目的,是为了消除组织缺陷,改善组织使成分均匀化以及细化晶粒,减少残余应力;同时可降低硬善组织使成分均匀化以及细化晶粒,减少残余应力;同时可降低硬度,提高塑性和韧性,改善切削加工性能。度,提高塑性和韧性,改善切削加工性能。 退火为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力,为后续工退火为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力,为后续工序作好准备,故退火是属于半成品热处理,又称预先热处理。序作好准备,故退火是属于半成品热处理,又称预先热处理。 钢的热处理技术钢的热处理技术23 正火正火 钢的正火是将钢加热到临界温度钢的正火是将钢加热到临界温度AcAc3 3(或(或AcAccmc
21、m)以上)以上30305050,保温,保温适当的时间后,在静止的空气中冷却的热处理方法。它能消除过共适当的时间后,在静止的空气中冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体,细化片状的珠光体组织,提高综合力学性能,析钢的网状渗碳体,细化片状的珠光体组织,提高综合力学性能,对大型或形状复杂的零件淬火有开裂危险时,或者要求不高的零件,对大型或形状复杂的零件淬火有开裂危险时,或者要求不高的零件,可用正火代替退火作为最终热处理使用。可用正火代替退火作为最终热处理使用。 淬火淬火 (固溶强化:晶格畸变使晶体变形的抗力增大,材料的强度硬度增加)(固溶强化:晶格畸变使晶体变形的抗力增大,材料的强度硬度增加
22、) 钢的淬火是将钢加热到钢的淬火是将钢加热到AcAc1 1或或AcAc3 3温度以上,保温一段时间,然后很温度以上,保温一段时间,然后很快放入淬火剂中,使以大于临界冷却速度的速度急速冷却,获得以快放入淬火剂中,使以大于临界冷却速度的速度急速冷却,获得以马氏体(晶格畸变的马氏体(晶格畸变的-Fe-Fe)为主的热处理方法。淬火能增加钢的硬)为主的热处理方法。淬火能增加钢的硬度和耐磨性,是强化钢材最重要的方法,但同时降低其塑性。淬火度和耐磨性,是强化钢材最重要的方法,但同时降低其塑性。淬火中常用的淬火剂有:水、油、碱水和盐类溶液等。中常用的淬火剂有:水、油、碱水和盐类溶液等。 淬透性:淬硬层深度的特
23、性。对形状复杂、要求变形小的工件,用淬透性:淬硬层深度的特性。对形状复杂、要求变形小的工件,用淬透性高的钢能防止开裂和变形。但有时又需要材料的淬透性小一淬透性高的钢能防止开裂和变形。但有时又需要材料的淬透性小一些,如零件在表面淬火、焊接时。些,如零件在表面淬火、焊接时。钢的热处理技术钢的热处理技术24 回火回火: 钢的回火钢的回火 将淬火后的钢重新加热到临界点(将淬火后的钢重新加热到临界点(A Ac1c1)以下的某一温度,)以下的某一温度,保温一段时间后冷却到室温,称为回火。它能消除淬火产生的内应保温一段时间后冷却到室温,称为回火。它能消除淬火产生的内应力,马氏体中过饱和的碳原子以碳化物形势析
24、出,内应力大大降低。力,马氏体中过饱和的碳原子以碳化物形势析出,内应力大大降低。回火的目的:可使淬火或正火所得到的不稳定组织转变成稳定组织,回火的目的:可使淬火或正火所得到的不稳定组织转变成稳定组织,适当降低了硬度及强度;但提高了塑性和韧性,减少或消除了残余适当降低了硬度及强度;但提高了塑性和韧性,减少或消除了残余应力。应力。低温回火(低温回火(150 -250150 -250):得到回火马氏体组织,硬度):得到回火马氏体组织,硬度58-64HRC58-64HRC。用于要求硬而耐磨的零件,如刀具、量具和轴承,用高碳钢制造。用于要求硬而耐磨的零件,如刀具、量具和轴承,用高碳钢制造。中温回火(中温
25、回火(350 -500350 -500):得到回火托氏体组织,硬度):得到回火托氏体组织,硬度35-45HRC35-45HRC。 用于各种弹簧和受小能量、多次冲击载荷的零件。用于各种弹簧和受小能量、多次冲击载荷的零件。高温回火(高温回火(500 -650500 -650):得到回火索氏体组织,硬度):得到回火索氏体组织,硬度200-330HBS200-330HBS。 铁素体基体在高温回火得到充分回复和再结晶,能使强度和塑性得铁素体基体在高温回火得到充分回复和再结晶,能使强度和塑性得到最佳配合,广泛用于车辆、机床的重要结构件,特别是受冲击、到最佳配合,广泛用于车辆、机床的重要结构件,特别是受冲击
26、、交变载荷作用的齿轮、连杆和机床主轴。交变载荷作用的齿轮、连杆和机床主轴。钢的热处理技术钢的热处理技术25钢的热处理技术钢的热处理技术 调质处理:调质处理: 淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650之间进行回火,调质可以使钢的性能,材质得到很大程度的之间进行回火,调质可以使钢的性能,材质得到很大程度的调整,其强度、塑性和韧性都较好,具有良好的综合机械性能,回调整,其强度、塑性和韧性都较好,具有良好的综合机械性能,回火后的组织为索氏体组织。与正火处理相比较,调质处理可在硬度、火后的组织为索氏体组织。与正火处理相比较
27、,调质处理可在硬度、抗拉强度相同的条件下,提高钢的屈服强度,其塑性和韧性的提高抗拉强度相同的条件下,提高钢的屈服强度,其塑性和韧性的提高尤甚。尤甚。 调质处理适用于较大动载荷,尤其是复合应力(拉伸、压缩、弯曲、调质处理适用于较大动载荷,尤其是复合应力(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、疲劳)下工作的工件。常用的调质处理钢材有:扭转、冲击、疲劳)下工作的工件。常用的调质处理钢材有:35#、40#、45#、50#、40Cr等钢材等钢材.26n 生产中许多零件的表面需要耐磨,而心部要求不高,此生产中许多零件的表面需要耐磨,而心部要求不高,此时只需要强化零件表面,解决问题的途径有两个:时只需要强化零件表面
28、,解决问题的途径有两个:1.表面表面热处理;热处理;2.化学热处理。化学热处理。 钢的钢的表面热处理表面热处理对钢的表层进行热处理改变组织和性能,常用的为表面淬火加回火。对钢的表层进行热处理改变组织和性能,常用的为表面淬火加回火。表面淬火处理:表面淬火处理:钢件表面淬火通常是指整体热处理(退火、正火或钢件表面淬火通常是指整体热处理(退火、正火或调质等)后将表面层加热到临界点以上的温度并急剧冷却的工艺方调质等)后将表面层加热到临界点以上的温度并急剧冷却的工艺方法。表面淬火后,常需低温回火以降低应力并部分恢复表面的塑性。法。表面淬火后,常需低温回火以降低应力并部分恢复表面的塑性。表面淬火对提高钢件
29、的耐磨损性以及抗疲劳性能方面极为有效。表表面淬火对提高钢件的耐磨损性以及抗疲劳性能方面极为有效。表面层的加热方法众多,有感应加热、火焰加热等。面层的加热方法众多,有感应加热、火焰加热等。感应加热:它是表面淬火最理想的一种加热方式。由于邻近效应和感应加热:它是表面淬火最理想的一种加热方式。由于邻近效应和集肤效应的影响,感应加热时只是工件中靠近外表皮的一层直接发集肤效应的影响,感应加热时只是工件中靠近外表皮的一层直接发热,内部发热很少,有效淬硬深度热,内部发热很少,有效淬硬深度0.210mm。钢的热处理技术钢的热处理技术27 钢的钢的化学热处理化学热处理将工件置于含活性元素的介质中加热到一定温度,
30、保温一定时间,将工件置于含活性元素的介质中加热到一定温度,保温一定时间,使该元素渗入工件表面,从而改变表面组织和性能。化学热处理的使该元素渗入工件表面,从而改变表面组织和性能。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、气体、液体、固体液体、固体)中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入碳、氮、中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后,有时还要进行其它热处理工艺如淬火硼和铬等元素。渗入元素后,有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。
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