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文檔簡介
第四章鐵碳合金第1頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三§4-1鐵碳合金的組元及基本相
一.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變
同一種元素金屬發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵具有三種同素異晶狀態(tài),即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe正是由于鐵具有這種同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)才使我們對鐵合金進行各中熱處理以獲得各種性能成為可能。第2頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三碳鋼及鑄鐵是使用最為廣泛的金屬材料。它們的基本組成是Fe+C。然而,C含量大于5%以上的Fe-C合金,其性能很脆,基本失去了其使用性能。所以,我們通常研究的鐵碳合金都是含碳量小于6.69%的合金,所研究的鐵碳相圖指的是Fe-Fe3C。在這一節(jié)中我們就來研究Fe-Fe3C相圖。Fe-Fe3C相圖是我們研究和使用鋼鐵材料,制定其熱加工和熱處理工藝以及分析工藝廢品的原因的依據(jù),因此,要學(xué)好這門課就必須掌握Fe-Fe3C相圖。第3頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三二.Fe-Fe3C相圖中的基本組織
1.鐵素體:碳原子溶于α-Fe中形成的間隙固溶體,為體心立方晶格,通常用“F”(或α)表示。鐵素體的最大溶碳量僅為0.0218%(在溫度為727℃時),在室溫下的溶碳能力更低,一般在0.008%以下。鐵素體的性能與純鐵基本相同,塑韌性較好,硬度較低。居里點也是770℃。2.奧氏體:碳原子溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體,為面心立方晶格,常用符號A或γ表示。奧氏體的最大溶碳量為2.11%(在溫度為1148℃時),奧氏體的塑性很好,且具有順磁性。第4頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三3.滲碳體:鐵與碳形成的間隙化合物,其含碳量為6.69%,稱為滲碳體,可用符號Cem或Fe3C表示,是鐵碳合金中重要的基本相,屬于正交晶系。滲碳體具有很高的硬度,約為800HB,但塑性很差,伸長率接近于零。滲碳體于低溫下具有一定的鐵磁性,但是在230℃以上,鐵磁性就消失了,所以230℃是滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度,稱為A0轉(zhuǎn)變。根據(jù)理論計算,滲碳體的熔點為l227℃。4.珠光體:F與Fe3C組成的機械混合物。通常用“P”表示。含碳為0.77%的層片狀產(chǎn)物。5.萊氏體:高溫萊氏體(727℃以上):A+Fe3C的機械混合物室溫萊氏體(727℃以下)
:P+Fe3C的機械混合物用Ld表示,含碳量為4.3%用Ld’表示,含碳量為4.3%第5頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三§4-2Fe-Fe3C相圖第6頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三主要點的含義A點:1538℃0%C純鐵的熔點N點:1394℃0%Cδ-Fe→γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點G點:912℃0%Cγ-Fe→α-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點J點:1495℃0.17%C包晶點LB+δH=AJC點:1148℃4.3%C共晶點Lc=AE+Fe3CS點:727℃0.77%C共析點AS=FP+Fe3CH點:1495℃0.09%C碳在δ-Fe中最大溶解度E點:1148℃2.11%C碳在γ-Fe中最大溶解度P點:727℃0.0218%C碳在α-Fe中最大溶解度第7頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三主要線的含義液相線:ABCD;AB:L→δ,BC:L→γ,CD:L→Fe3C固相線:AHJECF;AH:δ相結(jié)晶完了;HJ:包晶線部分;JE:γ相結(jié)晶完了;ECF:共晶反應(yīng)線包晶轉(zhuǎn)變線:HJB;在1495℃的恒溫下,含碳量為0.53%的液相與含碳量為0.09%的δ鐵素體發(fā)生包晶反應(yīng),形成含碳量為0.17%的奧氏體共晶轉(zhuǎn)變線:ECF;在1148℃的恒溫下,由含碳量為4.3%的液相轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂繛?.11%的奧氏體和含碳量為6.69%的滲碳體組成的混合物(萊氏體中奧氏體與滲碳體的相對含量?)共析轉(zhuǎn)變線:PSK;在727℃恒溫下,由含碳量為0.77%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂繛?.0218%的鐵素體和滲碳體組成的混合物(鐵素體和滲碳體的含量?)固態(tài)轉(zhuǎn)變線:GS線、ES線、PQ線磁性轉(zhuǎn)變線:MO——鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變線過230℃的虛線——滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線
第8頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三主要相區(qū)的含義五個單相區(qū):ABCD以上——液相區(qū)(L)AHNA——δ固溶體區(qū)(δ)NJESGN——奧氏體區(qū)(γ)GPQG——鐵素體區(qū)(α)DFKL——滲碳體區(qū)(Fe3C或Cem)七個兩相區(qū):ABJHA——液相+δ固溶體區(qū)(L+δ)JBCEJ——液相+奧氏體區(qū)(L+γ)DCFD——液相+滲碳體區(qū)(L+Fe3C)HJNH——δ固溶體+奧氏體區(qū)(δ+γ)GSPG——鐵素體+奧氏體區(qū)(α+γ)ECFKSE——奧氏體+滲碳體(γ+Fe3C)第9頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三§4-3鐵碳合金平衡結(jié)晶過程及組織
鐵碳合金工業(yè)純鐵(C<0.0218%)
碳鋼(C:0.0218%-2.11%)鑄鐵(C>2.11%)共析鋼(C=0.77%)亞共析鋼(C:0.0218%-0.77%)過共析鋼(C:0.77%-2.11%)共晶白口鑄鐵(C=4.30%)亞共晶白口鑄鐵(C:2.11%-4.30%)過共晶白口鑄鐵(C:4.30%-6.69%)第10頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第11頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三一.工業(yè)純鐵
(相圖)第12頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三在室溫下,析出三次滲碳體量最多的是含碳量為0.0218%的鐵碳合金,其含量可用杠桿定律求出wα=0.0218/6.69×100%=0.33%而含量為0.01%的工業(yè)純鐵室溫下三次滲碳體量為wFeC3III=0.01/6.69×100%=0.1494%第13頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三相轉(zhuǎn)變過程組織轉(zhuǎn)變過程LL+AP
二.共析鋼(相圖)
第14頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第15頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三三.亞共析鋼(相圖)
組織轉(zhuǎn)變L-……-AF+AF+P
第16頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第17頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三(a)含碳量0.20%
(b)含碳量0.40%
(c)含碳量0.60%
組織組成物的相對含量:先共析鐵素體:wα=(0.77?0.40)/(0.77?0.0218)×100%=49.5%珠光體:wp=1?49.5%=50.5%相組成物的相對含量:wα=(6.69?0.40)/(6.69?0.0218)×100%=94.3%wFe3C=1?94.3%=5.7%第18頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三四.過共析鋼(相圖)組織轉(zhuǎn)變:LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII第19頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第20頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三五.共晶白口鑄鐵(相圖)
組織轉(zhuǎn)變L(L+Ld)LdL’d第21頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三共晶白口鑄鐵的室溫組織第22頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三六.亞共晶白口鑄鐵(相圖)
組織轉(zhuǎn)變
LL+AA+LdA+Fe3CII+LdP+Fe3CII+L’d
第23頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第24頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三該白口鑄鐵的組織組成物中,初晶奧氏體的含量為wγ=(4.3?3.0)/(4.3?2.11)×100%=59.4%萊氏體含量為wLd=(3.0?2.11)/(4.3?2.11)×100%=40.6%從初晶奧氏體中析出的二次滲碳體含量為wFeC3II=(2.11?0.77)/(6.69-0.77)×59.4%=13.4%第25頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三七.過共晶白口鑄鐵(相圖)
組織轉(zhuǎn)變LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d
第26頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三第27頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三該白口鑄鐵的組織組成物中,先共晶滲碳體的含量為wFeC=(5.0?4.3)/(6.69?4.3)×100%=29.3%萊氏體的含量為wLd=(6.69?5.0)/(6.69?4.3)×100%=70.7%該白口鑄鐵的相組成物的相對含量。其中鐵素體的相對含量為wα=(6.69?5.0)/(6.69?0.0218)=×100%=25.3%滲碳體的相對含量為wFe3C=(5.0?0.0218)/(6.69?0.0218)×100%=74.7%第28頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三§4-4含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響
(一)對平衡組織的影響
Fe3C的形式:一次滲碳體Fe3CI;
二次滲碳體Fe3CII;三次滲碳體Fe3CIII;共析滲碳體;(珠光體)共晶滲碳體(萊氏體中)第29頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三隨著含碳量的增加,鐵碳合金的組織變化順序為
α→α+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld'→Ld'→Ld'+Fe3CⅠ第30頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三+三次滲碳體+Fe3CⅢ第31頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三(二)對機械性能的影響珠光體鐵素體
滲碳體塑性和韌性好強度和硬度很低硬脆相以細片狀分散地分布在鐵素體的基體上強化作用
較高強度和硬度塑性較差力學(xué)抗拉強度σb:1000MPa屈服強度σS
:600MPa伸長率δ:10%斷面收縮率ψ:12%-15%硬度(HB):241HB
性能第32頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三在白口鑄鐵中,由于含有大量滲碳體,故脆性很大,強度很低。滲碳體的硬度很高,但是極脆,不能使合金的塑性提高,合金的塑性變形主要由鐵素體來提供。
在亞共析鋼中,隨著含碳量的增加,珠光體逐漸增多,強度、硬度升高,而塑性、韌性下降。當(dāng)含碳量達到0.77%時,其性能就是珠光體的性能。在過共析鋼中,含碳量在接近l%時其強度達到最高值,含碳量繼續(xù)增加,強度下降。第33頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三(三)對工藝性能的影響1.切削加工性能鋼的含碳量對切削加工性能有一定的影響。低碳鋼中的鐵素體較多,塑性韌性好,切削加工時產(chǎn)生的切削熱較大,容易粘刀,而且切屑不易折斷,影響表面粗糙度,因此切削加工性能不好。高碳鋼中滲碳體多,硬度較高,嚴重磨損刀具,切削性能也差。中碳鋼中的鐵素體與滲碳體的比例適當(dāng),硬度和塑性也比較適中,其切削加工性能較好。一般情況下,鋼的硬度大致為250HB時切削加工性能較好。鋼的導(dǎo)熱性對切削加工性能具有很大的影響。具有奧氏體組織的鋼導(dǎo)熱性低,切削熱很少為工件所吸收,而基本上集中在切削刃附近,因而使刃具的切削刃變熱,降低了刀具使用壽命。第34頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三鋼的晶粒尺寸的大小并不顯著影響硬度。但粗晶粒鋼的韌性較差,切屑易斷,因而切削性能較好。珠光體中的滲碳體組織同樣影響切削加工性,亞共析鋼的組織是鐵素體+片狀珠光體,具有較好的切削加工性能,若過共析鋼的組織為片狀珠光體+二次滲碳體,則其加工性能很差,若其組織是由粒狀珠光體組成的,則可改善切削加工性能。2.可鍛性鋼的鍛造性能首先與含碳量有關(guān),隨著含碳量的增加逐漸變差。奧氏體具有良好的塑性,易于塑性變形。鋼加熱到高溫可獲得單相奧氏體組織,具有良好的鍛造性能。因此鋼材的始鍛溫度一般在固相線以下100℃~200℃范圍內(nèi)。終鍛溫度不能過低,以免因溫度過低而使塑性變差,產(chǎn)生裂紋。一般對亞共析鋼終鍛溫度控制在GS線以上較近處,對過共析鋼控制在PSK線以上,有利于打碎網(wǎng)狀二次滲碳體。白口鑄鐵無論在低溫或高溫,其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體,其鍛造性能很差。不能通過鍛造進行變形。第35頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三3.鑄造性金屬的鑄造性包括金屬的流動性、收縮性和偏析傾向等。1)流動性
流動性是指液態(tài)金屬充滿鑄型的能力。流動性主要受化學(xué)成分和澆注溫度的影響。在化學(xué)成分中,碳對流動性影響最大,隨著含碳量的增加,鋼的結(jié)晶溫度范圍增大,流動性應(yīng)該變差。但是,隨著含碳量的增加,液相線溫度降低,因而,當(dāng)澆注溫度相同時,含碳量高的鋼,其液相線溫度與鋼液溫度之差較大,即過熱度較大,對鋼液的流動性有利。所以鋼液的流動性隨含碳量的提高而提高。澆注溫度越高,流動性越好。當(dāng)澆注溫度一定時,過熱度越大,流動性越好。鑄鐵因其液相線溫度比鋼低,其流動性總是比鋼好。亞共晶鑄鐵隨含碳量的提高,結(jié)晶溫度范圍縮小,流動性也隨之提高。共晶鑄鐵結(jié)晶溫度最低,同時又是在恒溫下凝固,流動性最好;過共晶鑄鐵隨著含碳量的提高,流動性變差。
第36頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三2)收縮性
鑄鐵從澆注溫度至室溫的冷卻過程中,其體積和線尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。金屬從澆注溫度冷卻到室溫要經(jīng)歷3個互相聯(lián)系的收縮階段。①液態(tài)收縮:從澆注溫度到開始凝固(液相線溫度)這一溫度范圍內(nèi)的收縮為液態(tài)收縮。②凝固收縮:從凝固開始到凝固終止(固相線溫度)這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱凝固收縮。③固態(tài)收縮:從凝固終了到冷卻到室溫這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱為固態(tài)收縮。
液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮小,其收縮量用體積分數(shù)表示,稱為體收縮。它們是鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固態(tài)收縮雖然也是體積變化,但它只引起鑄件外部尺寸的變化,其收縮量通常用長度百分數(shù)表示,稱為線收縮。它是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷的基本原因。第37頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三影響碳鋼收縮性的主要因素是化學(xué)成分和澆注溫度等。對于化學(xué)成分一定的鋼,澆注溫度越高,則液態(tài)收縮越大;當(dāng)澆注溫度一定時,隨著含碳量的增加,鋼液溫度與液相線溫度之差增加,體積收縮增大。同樣,含碳量增加,其凝固溫度范圍變寬,凝固收縮增大。wC(%)0.100.350.751.0鋼的體積收縮率%(自1600℃冷至20℃)10.711.812.914.03)枝晶偏析:固相線和液相線的垂直距離越大,枝晶偏析越嚴重。鑄鐵的成分越靠近共晶點,偏析越?。幌喾?,越遠離共晶點,則枝晶偏析越嚴重。隨著含碳量的增加,鋼的體收縮不斷增大。與此相反,鋼的固態(tài)收縮則是隨著含碳量的增加,其固態(tài)收縮不斷減小,尤其是共析轉(zhuǎn)變前的線收縮減少得更為顯著。
第38頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三(四)Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1.在選材方面的應(yīng)用
1)需要良好塑性、韌性的壓力容器等時,應(yīng)選用含碳量為0.10~0.25%;2)需要綜合機械性能好的結(jié)構(gòu)鋼時,應(yīng)選用含碳量為0.25~0.50%;3)需要彈性好的彈簧鋼時,應(yīng)選用含碳量為0.50~0.70%;4)需要高強度和足夠硬度的工磨具鋼時,應(yīng)選用含碳量為0.70~0.90%;5)需要高硬度高和耐磨性好的刃具鋼時,應(yīng)選用含碳量為1.00~1.3%。白口鑄鐵具有很高的硬度和脆性,抗磨損能力也很好,可用來制造需要耐磨而不受沖擊載荷的工件。如撥絲模、球磨機的鐵球等。另外,白口鑄鐵也是可鍛鑄鐵的原料。第39頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三2.在熱加工方面的應(yīng)用
Fe-Fe3C相圖給出了不同成分的鐵碳合金在緩慢加熱和冷卻時組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律,這就為制定熱加工及熱處理工藝提供了依據(jù)。1)相圖給出了不同成分的鋼和鑄鐵的熔點,這就為擬定鑄造工藝提供了基本數(shù)據(jù),可以確定合適的澆注溫度。2)由相圖可知,純鐵、共晶和接近于共晶成分的鐵碳合金,具有較好的鑄造性能,因此這些合金在鑄造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。3)鋼處于奧氏體狀態(tài)時,強度低、塑性好,便于塑性變形。因此鋼材在進行鍛造、熱軋時都要把坯料加熱到奧氏體狀態(tài)。一般始鍛溫度控制在固相線以下100℃~200℃范圍內(nèi),而終鍛溫度則選擇在略高于臨界點處。4)熱處理一般要加熱到奧氏體狀態(tài),對于亞共析鋼加熱到GS線以上,共析、過共析鋼加熱到PSK線以上。第40頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三3.應(yīng)用鐵碳合金相圖應(yīng)注意的問題①鐵碳相圖不能表示快速加熱或冷卻時鐵碳合金組織的變化規(guī)律。②可參考鐵碳相圖來分析快速冷卻和加熱的問題,但還應(yīng)借助于其他理論知識。③相圖可以表示鐵碳合金可能進行的相變,但不能看出相變過程所經(jīng)過的時間。相圖反映的是平衡相的概念,而不是組織的概念。④鐵碳合金相圖是用極純的Fe和C配制的合金測定的,而實際的鋼鐵材料中還含有或有意加入許多其他元素。其中某些元素對臨界點和相的成分都可能有很大的影響,此時必須借助于三元或多元相圖來分析和研究。第41頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三§4-5鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織
一.錳和硅的影響
①Mn、Si是煉鋼中必須加入的脫氧劑,用以去除鋼液中的氧。它還可:Mn(Si)+FeO→MnO(SiO2)+Fe,Mn+S→MnS,排入爐渣中,去處S。②當(dāng)錳、硅部分溶入鋼液中,冷卻至室溫后即溶入鐵素體中提高鐵素體的強度;溶入滲碳體中形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C使強度提高。故Mn、Si對鋼的機械性能有良好的影響??商岣咪摰膹姸群陀捕龋?dāng)含Mn量不高時(wMn<0.8%),可略有提高或不降低鋼的塑韌性。Si含量小于0.5%時,它也是鋼中的有益元素,可顯著提高鋼的強度和硬度;但含量過高,將使鋼的塑韌性下降。第42頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三二.有害雜質(zhì)S、P的影響磷:P可溶入鐵素體,提高強度和硬度,但顯著降低了塑性和韌性,特別是低溫下會使性能惡化--冷脆性。硫:S在鋼中生成的FeS和Fe的共晶熔點僅988℃,在此溫度以上工作和鍛造時因晶界熔化而開列--熱脆性。適量的S可改善鋼的切削性能。
碳鋼根據(jù)S、P含量可分為三類:普通碳素鋼(wS<0.055%、wP<0.045%)優(yōu)質(zhì)碳素鋼(wS<0.040%、wP<0.040%)高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼(wS<0.030%、wP<0.035%)第43頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三三.脫氧的影響
鋼的生產(chǎn)是向鐵中加入O2,使C及雜質(zhì)氧化。按脫氧完全與否可將鋼分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼。①沸騰鋼(F)即脫氧不完全的鋼,如果脫氧不完全就會產(chǎn)生FeO,而FeO與C反應(yīng)析出大量的一氧化碳氣體,引起鋼液的沸騰,產(chǎn)生蜂窩狀的縮孔,且心部C、S、P偏析嚴重,但表面較純凈。所以性能較差,但成材率較高,較便宜。②鎮(zhèn)靜鋼(z)Mn+FeO→MnO+FeSi+FeO→SiO2+FeAl+FeO→Al2O3+Fe生成的MnO、SiO2、Al2O3排在爐渣中,沒有氣體,偏析較少,集中縮孔,性能較好,但利用率低,成本高。③半鎮(zhèn)靜鋼(b)介于上述兩種鋼之間。第44頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三2、鋼的冶煉過程對性能的影響第四節(jié)碳鋼1.鋼錠中的組織缺陷縮孔:大多材料凝固后體積收縮留下的空腔。力圖讓縮孔集中在冒口,可切去。
疏松:微小分散的收縮孔,樹枝間或晶粒間凝固的封閉而得不到液體補充而留下得缺陷。軋制可減小或消除其部分不利的影響。氣孔:凝固中未排出在凝固體而形成的缺陷。氣體的來源析出和反應(yīng)型。夾雜物:與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒,外來夾雜物有澆鑄中沖入的其它固體物,如耐火材料、破碎鑄模物等。成分偏析:成分不均勻叫做偏析。有宏觀偏析和微觀偏析第45頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三2、鋼的冶煉過程對性能的影響第四節(jié)碳鋼2.常存元素對性能的影響磷:P可溶入鐵素體,提高強度和硬度,但顯著降低了塑性和韌性,特別是低溫下會使性能惡化--冷脆性。硫:S在鋼中生成的FeS和Fe的共晶熔點僅988℃,在此溫度以上工作和鍛造時因晶界熔化而開列--熱脆性。適量的S可改善鋼的切削性能。硅:Si溶入鐵素體,可提高強度和硬度。錳:Mn與S、C的結(jié)合力比Fe強,可生成MnS,塑性和熔點比FeS高,消除S的不利影響,但MnS會降低疲勞強度和斷裂韌性,所以依然要控制含硫量。Si、Mn含量以自然出現(xiàn)為原則,人為專門加入組成合金鋼。
第46頁,共50頁,2023年,2月20日,星期三附件:碳鋼的分類按含碳量分:低碳鋼WC
0.25% 中碳鋼0.25%<WC
0.6% 高碳鋼WC>0.6%按質(zhì)量用途分:普碳鋼普通碳素結(jié)
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