材料成型工艺基础.docx
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材料成型工艺基础
绪论
材料成形:
所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法,称之为材料成形加工工艺。
一、材料与材料科学
材料就是用来制作有用器件的物质,就是人类生产与生活所必须的物质基础。
历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代,而今正处于人工合成材料的新时代。
材料科学的研究内容
材料科学就是研究各种固体材料的成分、组织、性能与应用之间关系及其变化规律的科学,它包括四个基本要素:
材料的合成与制备,成分与组织结构,材料性能与使用性能。
材料的分类
按化学成分:
金属材料:
钢、铸铁、铜、铝等
高分子材料:
塑料、橡胶、胶粘剂、纤维材料等
陶瓷材料
复合材料
金属材料就是怎么得到的呢？
冶炼----把金属从矿石中提炼出来,这个过程就叫金属的冶炼。
材料新技术
芯片
光纤
超导材料
二、材料成形技术
1、课程性质
材料成形基础就是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成型工艺原理的综合性技术基础学科。
2、材料成形加工在国民经济中的地位
材料成形加工在工业生产的各个部门与行业都有应用,尤其对于制造业来说更就是具有举足轻重的作用。
制造业就是指所有生产与装配制成品的企业群体的总称,包括机械制造、运输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等,它在整个国民经济中占有很大的比重。
统计资料显示,在我国,近年来制造业占国民生产总值GDP的比例已超过35%。
同时,制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其她行业,对这些行业的运行产生着不可忽视的影响。
因此,作为制造业的一项基础的与主要的生产技术,材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位,并且在一定程度上代表着一个国家的工业与科技发展水平。
通过下面列举的数据,可以帮助我们真切、具体地了解到成形加工对制造业与国民经济的影响。
据统计,占全世界总产量将近一半的钢材就是通过焊接制成构件或产品后投入使用的;在机床与通用机械中铸件质量占70~80%,农业机械中铸件质量占40~70%;汽车中铸件质量占约20%,锻压件质量约占70%;飞机上的锻压件质量约占85%;发电设备中的主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成;家用电器与通信产品中60~80%的零部件就是冲压件与塑料成形件。
再从我们熟悉的交通工具——轿车的构成来瞧,发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都就是铸造而成,连杆、传动轴、车轮轴等就是锻造而成,车身、车门、车架、油箱等就是经冲压与焊接制成,车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等就是塑料成形制件,轮胎等就是橡胶成形制品。
因此,可以毫不夸张地说,没有先进的材料热加工工艺,就没有现代制造业。
我国就是世界上少数的几个拥有运载火箭、人造卫星与载人飞船发射实力的国家,这些航天飞行器的建造离不开先进的加工成形工艺,其中,火箭与飞船的壳体都就是采用了高强轻质的材料,通过先进的特种焊接与胶接技术制造的。
3、课程内容
作为高等工科学校机械类专业学生的一门技术基本课,本课程主要涉及的就是与机械制造有关的材料成形加工工艺的基础知识。
它主要研究:
各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用与相互联系;零件的成型工艺过程与结构工艺性;常用工程材料性能对成型工艺的影响;工艺方法的综合比较等。
它几乎涉及机器制造中所有工程材料的成型工艺。
机械制造就是将原材料制造成机械零件,再由零件装配成机器的过程。
其中,机械零件的制造在整个机械制造的过程中占据了很大的比重,而成形加工又就是机械零件制造的主要工作。
传统上的机械大都就是用金属材料加工制造的,随着科学与生产技术的发展,机械制造所用的材料已扩展到包括金属、非金属与复合材料在内的各种工程材料,因此机械产品的成形加工工艺也就不再局限于传统意义上的金属加工的范畴,而就是将非金属与复合材料等的成形加工也包含进来了。
金属材料的成形一般有铸造、塑性成形、焊接、粘接与机械加工（包括切削加工与特种加工）等常用方法,非金属与复合材料则另有各自的特殊成形方法。
4、基本要求
本课程就是机械类专业的主干课程之一,也就是部分非机械类专业通常开设的一门课程。
学生在学完本课程之后,应达到以下基本要求:
■
（1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点与应用场合,了解各种常用的成形设备的结构与用途,具有进行材料热加工工艺分析与合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。
■
（2）具有综合运用工艺知识,分析零件结构工艺性的初步能力。
■（3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。
第一章金属材料导论
第一节金属材料的性能
一、材料的性能
二、材料在载荷作用下的力学行为
材料在载荷（外力）作用下的表现（反应）,人们习惯称之为力学行为。
材料在载荷作用下,对于塑性材料来说会产生弹性变形,塑性变形,直至断裂。
1、弹性变形
当物体受外力作用时产生了变形,若除去外力,物体发生的变形会完全消失,恢复到原始状态,这种变形称之为弹性变形。
2、塑性变形
当外力增加到一定程度时,物体发生的变形不能完全消失而一部分被保留下来,所保留的变形称之为塑性变形或永久变形。
3、断裂
断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂;在断裂前没有宏观塑性变形的断裂行为称之为脆性断裂。
三、材料在静载荷作用下的主要力学性能指标
静载荷就是指加载方式不影响材料的变形行为,加载速率较为缓与的载荷。
材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有弹性,刚度,强度,塑性,硬度等性能指标可通过拉伸试验与硬度试验测得。
１、弹性极限σe:
材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值,以σe表示,单位为ＭＰa。
２、弹性模量（E）:
材料在弹性变形的阶段内,直线的斜率,即产生单位弹性应变所需要的应力值,以Ｅ表示,单位ＭＰa。
其大小反映材料刚度大小。
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
强度:
材料在外力作用下,抵抗塑性变形与断裂的能力。
3、屈服强度（点）σs:
材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点,以σs表示,单位为ＭＰa。
它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
4、抗拉强度σb
材料在拉断前所承受的最大应力值,称为抗拉强度,通常用σb表示,单位ＭＰa。
它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。
抗拉强度—就是脆性材料选材的依据。
5、塑性
材料在外力作用下,产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用δ与ψ作为衡量塑性的指标。
伸长率:
断面收缩率:
良好的塑性就是金属材料进行塑性加工的必要条件。
（三）硬度
金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。
它就是衡量材料软硬程度的力学性能指标。
材料的硬度越高其耐磨性就越好,并且材料的硬度与它的力学性能与工艺性能（如切削加工性、焊接性能等）之间存在着一定的对应关系,所以硬度就是最常用的性能指标之一。
在一些零件图中硬度就是检验产品质量的重要指标。
1、布氏硬度（HB）
（1）测试原理
布氏硬度实验用一定直径的钢球或硬质合金球,以相应的试验力压入试样表面,保持一定时间后,卸除试验力,在试样表面得到直径为d的压痕直径,用试验力除以压痕表面积所得的值即为布氏硬度值,用ＨＢ表示。
计算公式:
（2）测定条件
压头为淬火钢球,适于测定硬度在450以下的材料,如结构钢、铸铁及非铁合金等,以HBS表示;压头为硬质合金,以HBW表示,适于测定硬度值在450以上的材料,最高可测650HBW。
（3）表示方法例如:
120HBS10/1000/30
（4）适用范围
铸铁、铸钢、非铁金属材料及热处理后钢材毛坯或半成品。
２、洛氏硬度（HR）
⏹
（1）测试原理
⏹洛氏硬度值用主载荷作用下试样产生塑性变形压痕深度BD来确定
⏹
（2）表示方法
⏹硬度标尺:
HRA、HRB、HRC,C标尺最常用。
⏹如250HRC
⏹（3）适用范围
⏹在批量的成品或半成品质量检验中广泛使用,也可测定较薄工件或表面有较薄硬化层的硬度。
常用洛氏硬度标尺的实验条件与应用
ＨＲ前面为硬度数值,后面为使用的标尺。
最常用的就是:
ＨＲＡ,ＨＲＢ,ＨＲＣ三种。
其中Ｃ标尺用的最多。
３、维氏硬度（HV）
（1）测试原理
维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理基本相同。
将顶角为136°的正四棱锥金刚石压头,在载荷的作用下,压头进入试件表面,保持一定的时间后,卸除载荷,测量压痕两对角线长度d1与d2,求其平均值,用于计算压痕表面积。
（2）表示方法
⏹例如:
640HV30/20
（3）适用范围
⏹用于测量金属镀层薄片材料
⏹与化学热处理后的表面硬度。
⏹*各硬度值之间大致有以下关
⏹系:
布氏硬度值在200-450范围
⏹内,HBS（HBW）=10HRC;布氏硬
⏹度值小于450HBS,HBS≈HV。
四、材料在动载荷作用下的主要力学性能指标
动载荷就是指突加的、冲击性的大小、方向随时间而变化的载荷。
材料在动载荷作用下的力学性能,包括冲击韧性与疲劳强度。
1.冲击韧性:
材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。
2.疲劳强度:
指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值,用σ-1表示,单位为Mpa。
它表现了材料抵抗疲劳断裂的能力。
疲劳断裂:
零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程。
就是由疲劳裂纹产生－－扩展－－瞬时断裂三个阶段组成的。
特点:
①断裂前无明显的塑性变形,很难事先察觉到,断裂突然发生。
②断裂时应力很低,大多低于σs,属于低应力脆断。
第二节金属及合金的结晶
一金属的结构
1．金属键:
由金属正离子与自由电子之间相互作用而结合的方式称为金属键。
根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。
由于自由电子的存在,容易形成电流,显示出良好的导电性。
自由电子的易动性与正离子的振动使金属有良好的导热性。
金属原子移动一定位置后,金属键不会遭到破坏,使金属具有很好的形变能力与强度。
自由电子可以吸收光的能量,因而金属不透明。
自由电子所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射,使金属具有光泽。
2、金属的晶体结构
所有的金属与合金都就是晶体
晶格—原子排列形成的空间格子
晶胞—组成晶格最基本的单元
金属的典型晶体结构
3、晶面与晶向
晶面:
各个方位上一系列原子组成的平面。
晶向:
各个方向上的原子列。
1）晶面指数（hkl）
标定过程
2）晶向指数[uvw]
4.金属的实际晶体结构
（1）多晶体结构
晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体为单晶体。
实际使用的金属材料包含有许多外型不规则的小晶体,每个小晶体内部的晶格位向都就是一致的,而各小晶体之间位向却不相同,称多晶体。
外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。
晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。
（2）晶体缺陷
在晶体内部及边界存在原子排列的不完整性,称为晶体缺陷。
按其几何形状的特点,晶体缺陷可分为以下三类:
1）点缺陷:
就是指三维尺寸都很小,不超过几个原子直径的缺陷。
主要有空位与间隙原子。
2）线缺陷:
指三维空间中在二维方向上尺寸较小,在另一维方面上尺寸较大的缺陷。
属于这类缺陷主要就是位错。
位错就是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。
它又分为刃型位错、螺型位错
3）面缺陷
指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。
通常就是指晶界与亚晶界。
晶界:
晶粒之间的边界称为晶界。
亚晶界:
亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
亚晶粒:
尺寸很小、位向差也很小的小晶块。
二、金属的结晶过程
1、金属的结晶过程
（1）金属结晶的过冷现象
（2）金属的结晶过程
2.铸件晶粒组织
铸件的晶粒组织就是指铸件的晶粒形状与大小。
一般铸件的典型晶粒组织分为三个区域。
（1）表层细晶粒区
液态金属强烈的过冷,形成大量自发晶核。
（2）柱状晶粒区
晶轴垂直于模壁的晶粒,沿着枝晶轴向模壁传热有利,这些晶粒优先长大,从而形成柱状晶粒。
（3）中心等轴晶粒区
在锭模心部的剩余液态金属内部温差愈来愈小,散热方向已不明显,因而形成较粗大的等轴晶粒区。
细晶强化的方法:
1）增加液态金属结晶时的过冷度
增大过冷度可以使铸件晶粒变小。
2）变质处理
在金属液结晶前,向金属液中加入某些物质（称变质剂）,形成大量分散的固态微粒作为非自发形核界面,或起阻碍晶体长大的作用,从而获得细小晶粒,这种细化晶粒的方法,称为变质处理。
3）附加振动
金属液结晶时,可采用机械振动,超声波或电磁振动等措施,使铸型中液体金属运动,造成枝晶破碎,碎晶块起晶核作用,从而使晶粒细化。
3、金属的同素异晶转变
同素异晶转变—在固态下,随着温度的变化,金属的晶体结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。
一种金属能以几种晶格类型存在的性质—称为同素异晶性。
金属的同素异晶转变就是金属从一种晶格类型的固态转变为另一种晶格类型固态的转变。
它也就是一个结晶过程,只不过这个结晶就是在固态下进行的,因此把这种固态转固态的结晶称为重结晶或二次结晶。
三、合金的结构
合金—两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。
成份相同、结构相同,并与其她部分有界面分开的均匀组成部分称为相。
根据结构特点不同可将合金中的相分为:
1、固溶体
合金中晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相。
据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同
固溶体的性能特点:
具有良好的塑性与韧性,强度、硬度较低。
2、金属化合物
合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相。
金属化合物的性能特点:
脆性大、硬度高;强度低;塑性、韧性差;高的熔点。
三、合金的结晶
虽然纯金属在人类生活与生产中获得了一定程度的应用,但它们的性能远不能满足多方面的需求。
在工业中更广泛地被应用的就是合金。
为了正确地对各种合金进行熔铸、锻压与热处理,必须了解它们的熔点与发生固态转变的温度,并研究它们的凝固进程与凝固后的组织。
目前已测定出许多二元合金系的成分与其熔点及固态转变温度的关系曲线,并分析了不同成分的合金在不同温度下的组织状态。
合金相图就就是以这些试验结果为基础而建立起来的。
1、相图的基本知识
（1）相图
合金相图就是一种能够反映给定合金系中合金成分、温度与其组织状态之间关系的图形。
二元合金相图就是一个平面图形,它表示由两个组元组成的合金系统中的合金平衡状态、温度与成分之间的关系。
2、二元合金相图
（1）二元匀晶相图
二组元在液态无限溶解,在固态无限固溶,并形成固溶体的二元合金系所形成的相图,称为二元匀晶相图。
这类合金在结晶过程中都就是从液相中结晶出单相的固溶体,这种结晶过程称为匀晶转变。
合金的结晶过程
以Cu-Ni合金相图中Ni的含量ωNi=40%为例说明其结晶过程,当液态合金缓慢冷却到与液相线相交温度时开始结晶,此时温度为t1,结晶出的固相ωNi为α1,α1的含镍量（ωNi）大于40%;冷却到t2时,L的成分L2,α相的成分为α2;当合金冷却完毕,全部为固相α,此时固相成分α3即为合金自身的成分。
枝晶偏析
实际金属结晶过程中,由于冷却速度快,先后结晶出来的固溶体成分不同,扩散来不及进行,使得晶粒内部化学成分不均匀的现象。
危害:
材料的力学性能↓,加工工艺性↓,耐蚀性↓。
措施:
扩散退火（均匀化退火）
（2）共晶相图
两组元在液态无限互溶,在固态有限溶解（或不溶）,并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图。
共晶转变指具有一定成分的液态合金,在一定温度下,同时结晶出两种不同的固相的转变。
其转变产物为共晶组织,或称共晶体。
（3）共析相图
一定成分的固相,在一定温度下,同时析出两种化学成分与晶格结构完全不同的新固相,这个转变过程称为共析反应。
（4）包晶相图
两组元在液态下无限互溶,在固态下有限溶解,并在结晶时发生包晶转变的相图,称为包晶相图。
即由一定成分的液相与一定成分的固相在恒温下转变成另一种一定成分的固相的转变。
由于新固相,首先在L相与原固相的相界上形核并包着原固相长大,故称为包晶转变。
第三节铁碳合金相图
一铁碳合金的基本组织
1、铁素体（F）
铁素体—碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。
727℃0、02%C
力学性能:
σb=250MPaδ=45~50%HB=80
2、奥氏体（A）
奥氏体—碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。
1147℃2、06%C、727℃0、77%℃
力学性能:
σb=250~350MPaδ=40~45%
HB=160~200
3、渗碳体（Fe3C）
渗碳体—就是金属化合物。
6、67%C
力学性能:
σb=30MPaδ=0HB=800
四、珠光体（P）
珠光体—就是铁素体与渗碳体组成的机械混合物。
727℃0、77%℃
力学性能:
σb=750MPaδ=25%HB=180-200
五、莱氏体（Le）
莱氏体—就是奥氏体与渗碳体组成的机械混合物。
1147℃4、3%C
力学性能:
σb=30MPaδ=0HB=700
二、典型铁碳合金的结晶过程
①共析钢[ωc=0、77%]
②亚共析钢[0、0218%<ωc<0、77%]
③过共析钢[0、77%<ω（c）≤2、11%]
④共晶白口铸铁[ωc=4、3%]
⑤亚共晶白口铸铁[2、11%<ωc<4、3%]
⑥过共晶白口铸铁[4、3%<ωc<6、69%]
⑦工业纯铁
第四节钢铁材料热处理原理
定义以适当的方式对金属材料或工件加热、保温、冷却,获得预期的组织结构与性能的工艺方法。
机床60-70％,汽车70-80％,量具、刃具、模具、轴承100％。
1）整体热处理退火、正火、淬火、回火
2）表面热处理表面淬火、化学热处理
一、钢在加热时的组织转变
1、加热转变的理论依据——Fe-Fe3C相图
奥氏体化钢加热形成奥氏体的过程。
对于加热:
非平衡条件下的相变温度高于平衡
条件下的相变温度;
对于冷却:
非平衡条件下的相变温度低于平衡
条件下的相变温度、
2、奥氏体化过程
包括奥氏体的形核、长大,残余渗碳体的溶解与奥氏体成分的均匀化。
二、奥氏体在冷却时的组织转变
奥氏体的冷却转变,直接影响钢热处理后的组织与性能。
常见的冷却方式有两种,等温冷却与连续冷却。
1、过冷奥氏体的等温冷却转变曲线
俗称C曲线或TTT曲线。
过冷奥氏体A1温度以下不稳定的奥氏体。
等温冷却曲线
………………
三、钢的普通热处理
1、钢的退火
（降低硬度、消除应力,细化晶粒）
⏹完全退火:
亚共析钢Ac3+30~50℃,缓冷到
600℃时空冷,得到F+P;
⏹等温退火:
同完全退火,可节省时间;
⏹球化退火:
过共析钢Ac1+20~30℃,消除网状
碳化物,使之成为球状;
⏹去应力退火:
500-650℃炉冷至200℃后空冷,
消除应力。
2、钢的正火
正火目的:
细化晶粒,提高强度
低碳钢--提高硬度
高碳钢—消除网状渗碳体
工艺过程:
Ac3、Accm+30~50℃,保温后空冷
优点:
周期短、能耗少
3、钢的淬火
淬火—钢加热到AC1或（AC3）以上,保温后以适当方式冷却,获得M或B组织的热处理工艺。
淬火目的:
获得高硬度、高耐磨性的马氏体,提高钢的机械性能。
加热温度:
Ac3、Ac1+30~50℃保温
碳钢:
水冷,得细小M+A′
合金钢:
油或空冷,得M+Fe3C+A′
钢经过淬火后必须回火！
！
！
回火—将淬火钢加热到A1下某一温度后进行冷却的热处理工艺。
回火目的:
消除应力,防止工件开裂
回火工艺:
Ac1以下保温后缓冷
一、钢的分类
1.按化学成分分类
1）碳素钢
1）低碳钢C<0、25%
（2）中碳钢C=0、25-0、6%
（3）高碳钢C>0、6%
2）合金钢
（1）低合金钢Me<5%
（2）中合金钢Me=5-10%
（3）高合金钢Me>10%
2、按质量分类
S:
使合金产生热裂、热脆缺陷
P:
使合金产生冷裂、冷脆缺陷
3）高级优质钢:
P、S<0、030%
3.按用途分类
二、钢的编号及应用
1.结构钢
1）（普通）碳素结构钢
碳素结构钢的钢号用屈服强度表示。
这类钢主要用于制造一般的机械零件与工程构件。
Q195（0、06-0、12%C）、Q215（0、09-0、15%C）、
Q235（A（0、14-0、22%C）、B（0、12-0、20%C））、
Q255（0、18-0、28%C）、Q275（0、28-0、38%C）
2）优质碳素结构钢
这类钢的有害杂质P、S含量较低,钢的质量较好,主要用于制造各种较重要的机械零件。
钢号用两位数字表示,数字表示含碳量的万分之几。
45—表示含碳量就是万分之45（0、45%）
08、10、15—冲压件、焊接件。
15、20、25—渗碳淬火。
30、35、40、45、50、55—调质处理。
制造齿轮、连杆、凸轮与轴类零件。
60、65、70—淬火+中温回火,制造弹簧。
3）合金结构钢
合金结构钢种类繁多,其钢号的表示方法为:
两为数字+元素符号+数字。
如:
40Cr2Mo4V、60Si2Mn、38CrMoAl
1低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢就是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得,其合金因素总量不超过5%,以Mn为主要合金因素。
这类钢一般在热轧或正火状态下使用,不需再进行热处理。
广泛用于建筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。
牌号有Q295、Q345、Q460
②机械结构用合金钢
用于制造各种机械零件的合金结构钢。
又可分为:
合金渗碳钢:
20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA
合金调质钢:
40Cr、40MnB、38CrMoAl
合金弹簧钢:
60Si2Mn、50CrVA
③滚动轴承钢
滚动轴承钢就是制造滚动轴承的内、外套圈与滚珠、滚柱的专用钢种。
常用牌号有GCr9、GCr15等,含碳在0、95%-1、1%,合金元素主要就是铬。
含0、90-1、25%Cr、1、4-1、65%Cr。
2.工具钢
1）碳素工具
碳素工具钢含碳量为0、65-1、35%,可制造低速切削的刀具与普通模具、量具。
常用牌号有T7、T8、T8Mn、T9、T10A、T11、T12A、T13等。
2）合金工具钢
其牌号表示方法就是:
一位数字（或无数字）+元素符号+数字。
如:
9SiCr、W18Cr4V、5CrNiMo等。
合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、与合金量具钢。
①合金刃具钢指用于制造各种刀具的钢材。
含碳量为0、75-1、50%,典型牌号为9SiCr、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。
②合金模具钢模具钢就是指用于制造各种模具的钢材。
冷做模具钢如:
冲压模、拉拔模等。
典型牌号为Cr12
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