第6章合金钢PPT课件.ppt

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1、第七章 合金钢,本章介绍合金钢的分类方法、成份和 主要应用。着重介绍各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能和应用。,重点掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。,内容提要:,学习目标,合金钢的分类,按合金元素含量多少分类,按含主要合金元素分类,按小试样正火或铸态组织分类,按用途分类,低合金钢 合金元素含量低于5%中合金钢 510%高合金钢 高于10%,铬钢铬镍钢锰钢,合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,珠光体钢马氏体钢奥氏体钢铁素体钢莱氏体钢,1 合金钢的基础知识,碳钢:价格低,但力学性能低,淬透性低,回火抗力差,不能满足特殊性能要求(如耐热、耐低温、耐蚀

2、等)。 合金钢 :在碳钢的基础上,加入某些合金元素而得到的钢。,碳钢的优点与不足:,优点: 1价格低,容易冶炼; 碳钢3-4千元/吨,合金钢5-6千元/吨 2、加工工艺性好 例:锻、焊、切削加工性好 3、 改善性能好(C%,热处理),不足:,1、淬透性差,2、强度级别低,屈强比低,屈强比,3、回火稳定性差,耐热性差,碳钢制作的刀具,刀刃处工作温度200,高速钢温度600,硬质合金刀具达到1000 。,高速钢的出现,带来高速切削的诞生,给机械加工行业带来了革命性的变化。,4、不能满足特殊性能的要求,1、2、3、4、,正是碳钢的不足,促进了合金钢的进步。,合金钢用量占钢铁材料的比例,反映了一个国家

3、工业技术的水平。,钢中的合金元素,弱碳化物元素: Fe、Mn。中强碳化物元素: Cr、Mo、W。强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu 与碳的亲和力较弱,一般以固溶体形式存在。,铁的左边,这些元素与碳作用形成合金碳化物,铁的右边,钢中的合金元素,合金元素对钢中基本相的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。 合金元素对钢的热处理的影响。,溶入F(相)形成合金F:非碳化物元素和部分弱碳化物元素; 例:Mn、Ni、Co、Si、Al、B 产生固溶强化。溶入Fe3C:部分弱碳化物元素,置换出Fe3C中的Fe; 例:Cr、Mn形成合金渗碳体 (Fe.Cr)3C (F

4、e.Mn)3C,合金元素对钢中基本相的影响,溶解碳钢原有相中;形成新相。存在形式决定于元素与碳亲和力、数量和性质。,溶入原有相:,合金元素溶入铁素体后,产生固溶强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性都有下降趋势。,合金元素对铁素体相性能的影响,2、形成新相,多是碳化物形成元素,与碳的亲合力比较强,形成合金碳化物。常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、VC、TiC等;,它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些元素提高钢的强硬度、耐磨性,降低塑、韧性。,几种化合物的性能,非碳化物形成元素 溶于F 固溶强化弱碳化物形成元素 形成合金 较硬、耐磨,比 渗碳体 Fe3C更稳定强碳化物形成元素

5、 形成特殊 高熔点、硬、耐碳化物 磨,最稳定,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,影响A和F存在的范围Mn、Ni、Co等扩大相区,扩大A存在的区域,如1Cr18Ni9 Ti和Mn13,室温下只有单相A,形成A钢。Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小相区均缩小A存在区域,有可能在室温下只有单相F存在而成为F钢。 如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢,Mn对奥氏体区的影响S、E点左移,因而合金钢中的共析体的含碳量就不再是0.77%,Cr对奥氏体区的影响,使S、E点左移,并使A1线的温度变化。,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响,减缓

6、A化过程(Ni、Co除外),影响A晶粒长大,强烈阻止A晶粒长大的元素:铝、钛、铌、锆 中等阻止A晶粒长大的元素:钨、钼、铬 促进A晶粒长大的元素:锰、磷、碳,合金碳化物熔点高、难分解,障碍C的扩散,热处理时要提高加热温度或延长保温时间。,冷却时对过冷A转变的影响,除Co外,合金元素的加入使C曲线右移。即增大过冷A的稳定性,提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。,合金元素还可能使C曲线形状发生改变,甚至出现两组C曲线,3、对M转变的影响,除Co、Al之外,其余合金元素均使Ms、Mz点下降。

7、结果增加A残量,例:W18Cr4V钢,淬火后A残量达25%;处理办法:冷处理,多次回火,(1)提高钢的回火稳定性:Cr Mo W V Nb Si提高了回火温度,提高了韧性同样的回火温度,硬度较高 原因:减缓碳的扩散和碳化物的长大,推迟马氏体的分解。,4、合金元素对回火转变的影响,(2)产生二次硬化:Mo W V Ti等合金元素使钢在500600回火时硬度升高的现象。,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,例:W18Cr4V钢,淬火后A残量达25%,硬度6063HRC,回火后6365HRC。,原因:1、A残发生向M的转变 2、析出弥散碳化物,(3)回火脆性:,可逆

8、。Ni、Cr使合金钢中多。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止方法:1、消除杂质元素Mn、Cr、Ni向晶界的偏聚。减少杂质元素含量;2、 加入合金元素W、Mo,消除杂质元素的偏聚,提高晶界断裂强度;3、回火后快冷,抑制杂质元素向晶界偏聚.,第一类: 250400 ,低温回火脆性。,第二类: 500600,高温回火脆性。,不能消除.不可逆,防止方法:避开这一温度范围回火。,钢中的合金元素的作用可简单概括P116、118页:,2 合金钢的分类与牌号,当平均含碳量大于或等于1%时不标出。,3 合金结构钢,低合金(高强度)结构钢成分:Wc0.2%,合金含量%3%,主加元素Mn,性能:较高的强度、屈强

9、比、塑、韧性; 良好的焊接性和冷塑性加工性(低碳); 含有耐大气和海水腐蚀的元素(Cu、P)。,用途:桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。,Q345钢(16Mn)综合性能好,用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,东风号远洋轮船Q345,南京长江大桥Q345,高压容器,Q390钢含V、Ti、Nb,强度高,用于中等压力的容器。,Q460钢含Mo、B,强度最高,用于石化中温高压容器。,热处理及典型钢种,16Mn 360MPa15MnTi、15MnV 400MPa一般在热轧空冷状态下使用,制成构件后不经热处理直接使用。,用途:制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件

10、。如:汽车中传递动力的齿轮,渗碳钢,表层高硬度(58HRC)和高耐磨性;心部良好强度和韧性;高的淬透性以保证渗碳件的心部性能,以便于渗碳后直接淬火。,性能,成分特点:低碳+提高淬透性元素+强碳化物元素,低 碳:0.1%0.25%,以保证零件心部足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷;,辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素,以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。,加入提高渗碳钢的淬透性合金元素:主加Cr、Mn、Ni、B等,保证零件的心部为低碳马氏体,从而具有足够的心部强度;,热处理及典型钢种,渗碳淬火 + 低温回火(180200),低淬透性: 15Cr、20Cr、15Mn2中淬透性:2

11、0CrMnTi、20CrMnMo高淬透性:12CrNi3A、18Cr2Ni4W,低淬透性合金渗碳钢:合金元素总量3 %,15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件,如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢:合金元素总量在4 %左右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件,如变速箱齿轮。高淬透性合金渗碳钢:合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。,活塞销( 20Cr ),柴油机曲轴,柴油机凸轮轴,渗碳钢的分类:,渗碳后的组织,表面 中心 1%C 0.2%C P+Fe3C P P+F

12、 F+P少,渗层厚度:表层到1/2过渡层的厚度,20 CrMnTi齿轮制造工艺,工艺路线: 下料锻造正火齿形加工渗碳预冷淬火 低温回火喷丸精磨,热处理工艺曲线,预先热处理:正火,改善锻造组织,降硬度,利于切削最终热处理:淬火低回,最终组织:表层:高碳M回+C化物+A残心部:低碳M回 +F+细P 表层硬度耐磨,心部较 高强度和AK,用途:制造受力复杂(交变应力、冲击载荷等)的重要零件,如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。,调质钢,性能:,具有优良的综合力学性能,内外组织性能一致,即既强又韧: 1、高的屈服强度及疲劳极限2、良好的韧性塑性3、局部表面有一定的耐磨性 4、较好的淬透性,中碳:0.25%0

13、.5%(一般0.4%左右,强韧性合理配合)。合金元素 :,主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等,主要作用提高淬透性;次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素,其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性,次要作用是改善淬透性; V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大,起细晶强化和弥散强化作用。,成分特点:中碳+提高淬透性元素+防止回火脆性元素,热处理: 预先热处理:正火处理(合金含量低)或正火高温回火(合金含量高)最终热处理 :调质,即淬火高温回火。,连杆,组织:S回,典型钢种:,低淬透性: 40MnMoB、40Cr 中淬透性:

14、 42CrMo、40CrNiMo 高淬透性:34CrNi3Mo,调质钢40Cr制造连杆螺栓工艺过程,工艺路线: 下料锻造退火(或正火)机械加工(粗加工)调质机械加工(精加工) 装配,40Cr钢制造连杆螺栓的调质处理工艺曲线,预备热处理:改善锻造组织,细化晶粒,适合机械加工;淬火:获得M组织;回火采用水冷防止第二类回火脆性。得到回火S,键槽可用局部表面感应淬火及回火,得到表面组织为S回,提高耐磨性,心部组织保持调质状态不变。调质零件如需要表面良好耐磨性应在调质后安排表面淬火,根据强韧的不同要求,采用不同的回火温度,例:40CrNiMo 850油淬后 回火温度对力学性能的影响,调质钢与渗碳钢的比较

15、,(1)合金化原则 (2) 获得优良综合力学性能的途径,用途,渗碳钢:用于承受冲击载荷,且耐磨的零件。 例:汽车后桥主动轮齿轮调质钢:用于运转平稳,要求好的综合性能的零件 例:一般的齿轮、轴、连杆等。,用途:制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件,弹簧钢,性能:1、高的弹性极限e和屈 强比s/b, 2、高的疲劳极限-1; 3、足够的韧性,硬度适中, 3950HRC,中高碳:碳素弹簧钢0.60.9%C,合金弹簧钢0.450.70%C,经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织,能较好地保证弹簧的性能要求。合金元素 主加元素为Si、Mn等,其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体;辅加元素

16、为Mo、W、V等强碳化物形成元素,主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷,并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。,成分特点:高碳+提高淬透性元素+提高回火稳定性元素,热处理: 按成形方法分为两类,热轧弹簧:,冷轧弹簧:,热成型 淬火 + 中温回火 喷丸,淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 冷成形:强化后成形;热成形:成形后强化典型的钢种:T10,典型的钢种:65Mn、60Si2Mn,热成形弹簧 对截面尺寸10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷),如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。,汽车板簧,热卷大弹簧,加工路线:下料加热压弯或卷绕淬火中温回火喷丸,组织为回火T氏体。喷

17、丸可强化表面并提高弹簧表面质量,显著改善疲劳性能。(也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理,提高弹簧的性能和寿命)。,冷成形弹簧 截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧),如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。,弹簧丝,发条,这类弹簧在成形前先进行冷拉(冷轧)、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉(轧)强化;然后再进行冷成形加工,此过程中将进一步强化金属,但也产生了较大的内应力和脆性,故在其后应进行低温去应力退火(一般200400)。,用途:制造各种滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱)和内外套圈的专用钢种。,滚动轴承钢,性能:1、高的硬度强度HRC6062和耐磨性;2、高的接触疲劳强

18、度,接触应力可达30003500MPa;3、足够的韧性和耐蚀性;,高碳:0.95%1.15%C,保证轴承钢高硬度和高耐磨性;低铬:0.40%1.65%Cr,增加钢的淬透性,并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。大型轴承加入Si、Mn、Mo、 V等元素以进一步提高淬透性和强度。,内圈,外圈,滚动体,保持架,成分特点:高碳+提高淬透性元素,热处理:球化退火+淬火低温回火预先热处理:球化退火,以改善切削加工性并为淬火作组织准备;最终热处理:淬火低温回火,决定轴承钢的性能,得到高硬度(6266HRC)和高耐磨性。冷处理:消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。,组织 :

19、M回细碳化物少量A残,典型钢种,GCr9 小轴承GCr15 多数轴承GCr15SiMn 壁厚大于14的大轴承,4 合金工具钢,用于制造各种切削刀具的合金钢。用途:车刀、铣刀、钻头等高合金刃具钢、低合金刃具钢,一、刃具钢,工作特点:1、与工件发生剧烈的摩擦 2、刃部有很高的工作温度 3、承受一定的冲击和弯曲应力,性能要求 高的硬度(6066HRC)和耐磨性。高的红硬性,即钢在高温下(500600)保持高硬度(60HRC左右)的能力,这是高速切削加工刀具必备的性能。 足够的韧性、塑性(限制S、P含量)。,耐磨性取决于高硬度和碳化物的性质,三种碳化物的硬度,高的热硬性取决于钢的回火稳定性和碳化物的性

20、质材料塑性韧性低:刀具崩刃具、断裂。,(一)碳素刃具钢,成份 含碳量约 0.61.3 % 性能 常温硬度(HRC6062)及耐磨性较好。 但淬透性差、热硬性差。,热处理:预先热处理:正火+球化退火,消除网状碳化物及锻后不均匀,降低硬度便于切削加工,并为淬火作组织准备最终热处理:淬火低温回火,组织:回火马氏体细粒状渗碳体少量残余奥氏体。,(二)低合金刃具钢,成分: 高碳,含 0.91.5 % C ,添加Si、Mn、Cr等合金元素,提高钢的淬透性和回火稳定性,进一步改善刀具的硬度和耐磨性;强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外,还可提高钢的热硬性。,性能:,低合金工具钢

21、的淬透性和综合力学性能好,但由于其内的合金元素主要是淬透性元素,而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等),故仍不具备热硬性特点,刀具刃部的工作温度一般不超过250,否则硬度和耐磨性迅速下降,甚至丧失切削能力,因此这类钢属于低速切削刃具钢。,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,工艺路线:下料下料球化退火机械加工淬火+低温回火磨平面 抛平面开口,分级淬火,低温回火降低残应力,圆板牙淬火回火工艺预热减少高温停留时间,从而降低氧化脱碳倾向,(三)高合金刃具钢(高速钢),按成分特点分:钨系、钴系和钨钼系(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)高碳 0.71.5%:获得高碳M,足量碳化物,

22、细化晶粒培养,提高硬度,增大耐磨性。钨 18%:形成碳化物;在560左右回火时, 弥散析出W2C, 造成二次硬化,提高钢的红硬性。钼 5%:1%Mo的作用等同于2%W。但是Mo的含量高使钢高温时易氧化脱碳。铬 4%:形成碳化物;提高钢的淬透性。钒1.5%:形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。,性能:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。,盘形铣刀,W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,工艺路线:下料 锻造 退火 机加工 淬火 三次回火 喷砂 磨削,消除A残;并产生二次硬化 弥散硬化:W2C、VC 弥散析出; 二次淬火: A残中析出合

23、金碳化物,使A残中合金的浓度下降,MS 上升,在随后的冷却过程中残余A转变为M。,锻造,高速钢含大量合金元素铸态有共晶Ld属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物,钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。,退火,温度870880,保温23h,消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。退火后的组织 : S + 粒状碳化物,淬火,1280;淬火后的组织:M+粒状碳化物+A残(2025%),三次回火,W18Cr4V铸态组织 420 ,共晶莱氏体:P+Ld+碳化物,W18Cr4V锻造组织 210 ,W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 ,极细的

24、回火马氏体和较多粒状碳化物及少量残余奥氏体,模具钢,(一)冷作模具钢工作条件与性能要求:在常温下使金属材料变形成型的模具用钢,工作温度200300;模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用;冷作模具钢应具有高硬度、高耐,汽车车门模具,成分:高碳合金元素:Cr, Mo、W、V,磨性、高强度和足够的韧性;冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些,冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。,(二)热作模钢,工作条件与性能要求:使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300400、热挤压模可达500800、甚至近1000,因交替加热冷却的温度循环产生交变热,汽车曲轴模具,成

25、分:中碳 0.30.6 %;中碳调质钢合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,应力;热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等,要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。,量具钢,性能要求:高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。,千分尺,热处理:淬火 + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理 最终组织 : M回+ 合金碳化物,成分:高碳 ;合金元素:Cr, Mn、W。,应用 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、9SiCr、CrWMn,冷处理:减少残A量;时效处理:降低内应力,且回火M进一步稳定。低温回火:减少应力,

26、并使冷处理后的过高硬度降到所要求的硬度最后低温回火:消除磨削应力,把应力降到最小。,特殊性能钢,(一)不锈钢 金属腐蚀的种类:化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化,钢的脱碳 。 电化学腐蚀金属材料(合金或不纯的金属)与电解质溶液接触 , 通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。,金属的防腐“多相”易腐蚀,“单相”不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)化学成分特点:低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。,铁素体不锈钢,碳含量0.

27、15%、铬含量1618。Cr是铁素体形成元素,致使此类钢从室温到高温(1000左右)均为单相铁素体;塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件,如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见的铁素体不锈钢有1Cr17、1Cr28等。,马氏体不锈钢,马氏体不锈钢:碳0.1%0.45%,含Cr平均为13%。当WCr12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中(如大气、海水、氧化性酸)耐蚀。 常见的马氏体不锈钢有:Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。,奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢:是在Cr18Ni8(18-8)基础上发展起来的,低碳(0.12)、高铬(18)和较高镍(

28、9);Cr主要起钝化作用,Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性,但相应地价格也较高;优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性,其冷塑性加工性和焊接性能较好。 以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大,牌号有1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。,(二)耐热钢,定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。高温强度(热强性)指标有:蠕变极限:材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形(即蠕变)的抗力;以 表示700下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。持久强度:材料在高温长期载荷下对断裂的抗力;以 表示在500下经10000h发生断裂的应力值。,提高钢抗氧

29、化性的途径:加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。提高钢热强性的途径:基体固溶强化:加入元素Cr、Ni、W、Mo等,形成单相组织并提高再结晶温度。第二相弥散强化:加入元素V、Ti、Nb、Al等,形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al),获得第二相弥散强化效果并提高组织稳定性。晶界强化:微量元素硼(B)与稀土(RE)元素,起净化晶界或填充晶界空位的作用。,抗氧化钢 :如3Cr18Ni25Si2等。热强钢珠光体耐热钢:500以下,如12CrMo、15CrMoV马氏体耐热钢:600-650 ,如Cr13型马氏体不锈钢奥氏体耐热钢:650 以上:如18-8型奥氏体不锈钢,定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。化学成分:高碳(0.9%1.5%)、高锰(1114)。铸态组织:粗大AFe3C网,脆性大,不直接使用。水韧处理:(10601100快速水冷)后可得到单相A,此时韧性很高。形变硬化: (AM)形成硬(500HBW)而耐磨的表面层(1020mm),心部仍为高韧性的A。,(三)耐磨钢,主要用途:坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。,小结:各钢种的代表钢号,

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