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文檔簡介
1、第二章 鋼中奧氏體的形成2.1、奧氏體的組織特征、奧氏體的組織特征2.2、奧氏體形成機理、奧氏體形成機理2.3、奧氏體轉變動力學、奧氏體轉變動力學2.4、奧氏體晶粒長大及其控制、奧氏體晶粒長大及其控制 熱處理過程:加熱 保溫 - 冷卻 目的:改變材料(金屬及合金)的組織結構,滿足服役條件對性能的要求 加熱加熱:大多數(shù)熱處理工藝都需要將鋼件加熱至相變臨界點(A1, A3或Acm)以上,形成奧氏體組織,稱為奧氏體化。然后再以一定的方式 (或冷速)進行冷卻。 鋼在加熱時的轉變是鋼件熱處理的基礎,而且熱處理鋼件的組織和性能與其加熱時形成的奧氏體組織有很大的關系。 奧氏體A()A1A3AcmFe-Fe3
2、C合金相圖奧氏體的命名 英文名稱:英文名稱: Austenite 晶體結構:晶體結構: 面心立方(面心立方(fcc) 定義:碳及各種化學元素在定義:碳及各種化學元素在-Fe形成的固溶體形成的固溶體 或或 A 命名:為紀念命名:為紀念英國冶金學家英國冶金學家羅伯羅伯茨茨-奧斯汀奧斯汀(Roberts Austen,1943-1902)對金屬科學的貢獻對金屬科學的貢獻2.1 奧氏體的組織特征鋼在實際熱處理加熱時所發(fā)生的相變常常是非平衡的,很難用Fe-Fe3C平衡狀態(tài)圖完全說明問題。這里我們仍以Fe-Fe3C平衡狀態(tài)圖為基礎來介紹奧氏體的組織特征。1.奧氏體形成的溫度范圍奧氏體形成的溫度范圍Fe-F
3、e3C合金相圖高溫穩(wěn)定相穩(wěn)定存在的區(qū)域:GSEJNGS點:共析成分點共析鋼(C=0.77%)亞共析鋼(C0.77%)過共析鋼(0.77C2.11%)E點:C在中的最大溶解度溫度在A1以下:共析鋼:珠光體(P)亞共析鋼:珠光體P+鐵素體F過共析鋼:珠光體+滲碳體溫度在A1點以上:共析鋼:PA亞共析鋼: PA, FA過共析鋼: PA, F3CA奧氏體A()A1A3AcmJ1.奧氏體形成的溫度范圍奧氏體形成的溫度范圍 實際的相變并不是 按照狀態(tài)圖中所示的溫度進行的,往往存在一定的溫度滯后溫度滯后,且溫度滯后的程度隨加熱或冷卻速度加熱或冷卻速度的增大而增大。 為了區(qū)別平衡臨界點,通常在加熱轉變點標以為
4、了區(qū)別平衡臨界點,通常在加熱轉變點標以“ C”,在冷卻轉變點標以,在冷卻轉變點標以“r”。A1 Ac1 或或 Ar1 A3 Ac3 或或 Ar3Acm Accm 或或 Arcm2. 奧氏體的組織和結構奧氏體的組織和結構:奧氏體的組織奧氏體的組織:規(guī)則多邊形晶粒 奧氏體的結構奧氏體的結構:FCC結構,C在-Fe中的間隙固溶體。C原子的存在,使奧氏體點陣發(fā)生等稱膨脹,因而點陣常數(shù)隨碳含量升高而增大 C: 八面體中心2. 奧氏體的性能奧氏體的性能:奧氏體鋼:加入擴大相區(qū)的元素(如:Ni、Mn、Co、C、N、Cu等),使相圖中A1,A3、和Acm線下降,從而引起奧氏體區(qū)擴大 ,會使相圖中奧氏體區(qū)一直延
5、展到室溫下。 奧氏體鋼優(yōu)點:優(yōu)點:塑性好:面心立方點陣,滑移系統(tǒng)多,易于變形比容小:最密排的點陣結構,致密度高熱強性好:Fe自擴散激活能大,擴散系數(shù)小,高溫用鋼無磁性線膨脹系數(shù)大:熱膨脹靈敏的儀表元件缺點:缺點:硬度、屈服強度不高導熱性能差:加熱速度不宜過大,避免熱應力導致工件變形。奧氏體A()A1A3Acm2.2奧氏體的形成機制奧氏體的形成機制奧氏體A()A1A3AcmA1點以下:點以下:共析鋼:珠光體亞共析鋼:珠光體+鐵素體過共析鋼:珠光體+滲碳體珠光體:鐵素體+滲碳體A1點以上:點以上:奧氏體相變: 鐵素體鐵素體 + 滲碳體滲碳體 奧氏體奧氏體結構: 體心立方體心立方 復雜斜方復雜斜方
6、面心立方面心立方C含量: 0.02% 6.69% 0.77%奧氏體的形成:奧氏體的形成:(1) 的點陣重構的點陣重構(2)滲碳體的溶解)滲碳體的溶解(3)C在在 中的擴散重新分布中的擴散重新分布珠光體珠光體1. 奧氏體形核奧氏體形核珠光體(P)和奧氏體()自由能和溫度關系奧氏體形成:過熱度奧氏體形成:過熱度 /Fe/Fe3 3C C向向FeFe3 3C C遷移速度遷移速度完全完全轉變?yōu)檗D變?yōu)?后仍有一部份后仍有一部份FeFe3 3C C未溶未溶解解 T TA A向向F F界面推移速度與界面推移速度與A A向滲碳體界面推移速度之比向滲碳體界面推移速度之比 ,如如780780 C C,兩者之比為,
7、兩者之比為14.914.9,800800 C C,兩者之比為,兩者之比為19.119.1 隨保溫時間延長,殘留碳化隨保溫時間延長,殘留碳化物溶解。物溶解。4.4.奧氏體成分的均勻化奧氏體成分的均勻化在鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體,且殘在鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體,且殘留留Fe3C全部溶解之后,碳在奧氏體全部溶解之后,碳在奧氏體中的分布仍然是不均勻的。中的分布仍然是不均勻的。原來為滲碳體的區(qū)域碳濃度較高,原來為滲碳體的區(qū)域碳濃度較高,而原來為鐵素體的區(qū)域碳濃度較低。而原來為鐵素體的區(qū)域碳濃度較低。碳濃度的不均勻性隨加熱速度增大碳濃度的不均勻性隨加熱速度增大而愈加嚴重。而愈加嚴重。因此,繼續(xù)加熱或保溫,借助
8、于碳因此,繼續(xù)加熱或保溫,借助于碳原子的擴散,才能使整個奧氏體中原子的擴散,才能使整個奧氏體中碳的分布趨于均勻。碳的分布趨于均勻。奧氏體形成的四個階段奧氏體形成的四個階段1.奧氏體形核奧氏體形核2.奧氏體晶核長大奧氏體晶核長大3. 剩余碳化物溶解剩余碳化物溶解4.奧氏體均與化奧氏體均與化2.3 2.3 奧氏體形成的動力學奧氏體形成的動力學1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 奧氏體的形成速度:形核率I 和長大速度G T , 形成速度增大形成速度增大共析碳鋼1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學(1) 形核率形核率I(均勻形核): 溫度溫度 ,I I ; 溫度溫度
9、, G Gv v ,W W 進一步進一步I I 溫度溫度 ,D D ,原子擴散,原子擴散加快,有利于加快,有利于點陣重點陣重構,促進滲碳體的溶解構,促進滲碳體的溶解加速了加速了 的形成的形成擴散激活能臨界晶核的形核功與P的比界面能與P的單位體積的自由能差常數(shù)1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 T 形核所需C濃度的起伏,有利于提高形核率 因此,T,相變過熱度增加,形核急劇增加 (IG),有利于形成細小的奧氏體晶粒。T2/C-C1.1.奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學(2) 長大速度長大速度G 等溫轉變 780cD滲碳體:C在A中的擴散系數(shù)dxCd:A中C濃度梯度CB:A
10、與F的相界面處或A與滲碳體的相界面處的兩相濃度差S0:珠光體片層間距1.1.奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 溫度的影響:T,G 原因: 原子擴散系數(shù)D ;C/cem - C/ , G F中有利于A形核部位增加,原子擴散距離縮短,有利于長大 /界面濃度(C/ - C / ),/滲碳體界面濃度(C cem / - C / cem ), 加速了A長大的速度。*cem: cementite綜上所述:綜上所述:T ,奧氏體的形核率,奧氏體的形核率I和長大速度和長大速度G均增均增大。奧氏體形成速度隨形成大。奧氏體形成速度隨形成T 呈單調增大。呈單調增大。 1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等
11、溫形成動力學(3) 奧氏體等溫動力學曲奧氏體等溫動力學曲線(線(TTT曲線)曲線) 等溫動力學曲線的建立:一組共析碳鋼加熱Ac1以上不同溫度,保溫不同時間,急冷至室溫,測出馬氏體轉變量(即高溫加熱時的奧氏體形成量) 等溫形成圖:溫度時間曲線1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 存在孕育期 A形成速度: 慢-快-慢 加熱溫度越高,形成所需時間越短,形成速度越快 后,滲碳體溶解,奧氏體均勻化(時間最長) 亞共析鋼和過共析鋼共析碳鋼奧氏體等溫形成圖1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學(4)影響奧氏體形成速度的因素影響奧氏體形成速度的因素 加熱溫度的影響加熱溫度的影響
12、T,A形成速度;形核率I和長大速度G均增加,IG, 因此獲得的奧氏體起始晶粒度越細小。 T,A向F界面推移速度與A向滲碳體界面推移速度比增加,珠光體中F消失的瞬間,剩余滲碳體量增加,奧氏體的平均C含量降低。T,有利于改善淬火鋼尤其是淬火高碳工具鋼的韌性。 1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學碳含量的影響碳含量的影響鋼中碳含量愈高,奧氏體形成速度就愈快。 原因: *碳含量增高時,碳化物數(shù)量增多,鐵素體與滲碳體的相界面面積增大,因而增加了奧氏體的形核部位,使形核率增大。 *同時,碳化物數(shù)量增多后,使碳的擴散距離減小, * 隨奧氏體中碳含量增加,碳和鐵原子的擴散系數(shù)增大在過共析鋼中由
13、于碳化物數(shù)量過多,隨碳含量增加會引起剩余碳化物溶解和奧氏體均勻化的時間延長。1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 原始組織的影響原始組織的影響 在成分相同的條件下,原始組織中碳化物分散度愈大,則相界面就越多,形核率就越大(I)。 珠光體的片層間距減小,奧氏體中C的濃度梯度增大,使C的擴散速度加快,同時擴散距離減小,因此增加了奧氏體長大速度(G)。 因此,鋼的原始組織越細小,奧氏體的形成速度就越快。1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 合金元素的影響合金元素的影響 加入合金元素不影響珠光體(P)向奧氏體()的轉變機制 影響奧氏體的形核、長大、碳化物的溶解、奧氏體均
14、勻化的速度 強碳化物形成元素(Mo、W、Cr)降低C在中的擴散系數(shù),形成不易溶解的特殊碳化物,顯著減低形成速度 非碳化物形成元素Co、Ni增大C在中的擴散系數(shù),加速的形成 非碳化物形成元素Al、Si對C在中的擴散影響不大,對的形成速度無顯著影響1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 合金元素的影響(續(xù))合金元素的影響(續(xù)) 改變相變臨界點A1、A3、Acm的位置,即改變相變的過熱度。 Ni、Mn、Cu等減低A1點,相對增加了過熱度,故加快了奧氏體的形成速度 Cr、Mo、Ti、Si、Al、W、V等提高A1點,相對減小了過熱度,減慢了奧氏體的形成速度 影響珠光體片層間距和C在奧氏體中
15、的溶解度,從而影響相界面濃度差和奧氏體中的濃度梯度、形核功等 影響奧氏體形成速度1. 1. 奧氏體等溫形成動力學奧氏體等溫形成動力學 合金元素的影響(續(xù))合金元素的影響(續(xù)) 合金元素在原始組織中分布不均勻。 碳化物形成元素主要集中在碳化物中 非碳化物形成元素主要集中在鐵素體中 不均勻現(xiàn)象直到碳化物完全溶解后仍顯著存在奧氏體中。 因此合金鋼的奧氏體化過程,除了C的均勻化,還包括合金元素的均勻化 合金元素的擴散系數(shù)比C的擴散系數(shù)小(1000-10000倍),因此奧氏體化需要更高的溫度和更長的時間2. 連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱時奧氏體形成 相同點(與等溫加熱比): 鋼在連續(xù)加熱時珠光體向奧氏體
16、的轉變與等溫加熱轉變大致相同,亦經過形核、長大、剩余碳化物溶解、奧氏體均勻化四個階段,其影響因素也大致相同。2.連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱時奧氏體形成 不相同點(與等溫加熱比): 在一定的加熱范圍內,相變臨界點隨加熱速度增大而升高快速加熱時非平衡Fe-C狀態(tài)圖Ac1Ac3Accm2. 連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱時奧氏體形成 不相同點(與等溫加熱比)(續(xù)): 相變是在一個溫度范圍內完成的 隨加熱速度增大,各個階段的轉變溫度范圍均向高溫推移并擴大。因此連續(xù)加熱時,特別是加熱速度大時,難以用Fe-Fe3C狀態(tài)圖來判斷鋼加熱時的組織狀態(tài)2. 連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱時奧氏體形成 不相同點(與等
17、溫加熱比)(續(xù)): 奧氏體形成速度隨加熱速度增大而增大加熱曲線轉變曲線加熱速度越快,轉變開始和終了的溫度就越高,轉變所需的時間就越短,即奧氏體的形成速度就越快。連續(xù)加熱時珠光體向奧氏體轉變的各個階段都不是在恒定溫度下進行的,而是在一個相當大的溫度范圍內進行的,加熱速度越快,奧氏體轉變溫度范圍就越大。加熱速度:V4V3V2V12. 連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱時奧氏體形成 不相同點(與等溫加熱比)(續(xù)): 奧氏體成分的不均勻性隨加熱速度的增加而增大 在快速加熱條件下,因為碳化物來不及充分溶解,碳及合金元素來不及充分擴散,造成奧氏體中碳及合金元素的濃度很不均勻。 2. 連續(xù)加熱時奧氏體形成連續(xù)加熱
18、時奧氏體形成 不相同點(與等溫加熱比)(續(xù)): 奧氏體起始晶粒大小隨加熱速度增大而細化 超快速加熱時相變過熱度很大,奧氏體不僅在鐵素體和碳化物的相界面上形核,而且也可在鐵素體內的亞晶界上形核。 超快速加熱時奧氏體的形核率急劇增大,并且加熱時間極短,奧氏體晶粒來不及長大,經適時淬火后可獲得超細化的原始奧氏體晶粒,并獲得超細化的淬火馬氏體組織。2.4 奧氏體晶粒長大及控制奧氏體晶粒長大及控制 奧氏體化目的:獲得成分均勻和一定晶粒大小的奧氏體組織 多數(shù)情況希望獲得細小的奧氏體晶粒,有時也需要較大的奧氏體晶粒 因此需要了解奧氏體晶粒的長大規(guī)律,掌握控制奧氏體晶粒的方法1. 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度 奧
19、氏體晶粒大小的表示方法:奧氏體的直徑或單位面積中奧氏體晶粒數(shù)目 奧氏體的晶粒度N:一般是指奧氏體化后的奧氏體實際晶粒大小 奧氏體晶粒越小,n越大, N越大,12nNn 為放大100倍的視野中每平方英寸(6.45cm2)所含的平均奧氏體晶粒數(shù)目 X100倍倍 晶粒度晶粒度Nd (m)125021773125488562644731822915.610111. 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度 起始晶粒度:在臨界溫度以上,奧氏體形成剛剛完成,其晶粒邊界剛剛相互接觸時的晶粒大小 實際晶粒度:在某一加熱條件下所得到的實際奧氏體晶粒大小 本質晶粒度:根據標準試驗方法,在93010保溫足夠時間(3-8h)后測得的
20、奧氏體晶粒大小。 本質細晶粒鋼:奧氏體晶粒度為5-8級 本質粗晶粒鋼:奧氏體晶粒度為1-4級1. 奧氏體晶粒度奧氏體晶粒度 奧氏體的起始晶粒度的大小,取決于奧氏體的形核率I和長大速度G : 增加形核率I或降低長大速度G是獲得細小奧氏體晶粒的重要途徑 實際晶粒度取決于鋼材的本質晶粒度和實際加熱條件。在一般的加熱速度下,加熱溫度越高,保溫時間越長,得到的奧氏體實際晶粒就越粗大2/1GIKn單位面積內的奧氏體晶粒數(shù)目:2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理 晶界能量高晶界能量高,為了減少總的晶界面積,降低界面能,在一定溫度條件下奧氏體晶粒會發(fā)生相互吞并而使晶粒長大的現(xiàn)象。 奧氏體晶粒長大在一定條
21、件下是一個自發(fā)過程。奧氏體晶粒長大是通過晶界推移奧氏體晶粒長大是通過晶界推移實現(xiàn)的實現(xiàn)的,是晶粒長大動力和晶界推移阻力相互作用的結果。 2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理(1)晶粒長大驅動力)晶粒長大驅動力: 奧氏體晶粒大小的不均勻性奧氏體晶粒大小的不均勻性 驅動力大小驅動力大小: F=2/R 方向:方向:指向曲率中心指向曲率中心abc120120-比界面能,比界面能,R-晶界曲率半徑晶界曲率半徑理想界面形態(tài):界面平直,界面間夾角理想界面形態(tài):界面平直,界面間夾角120,如,如b圖圖正曲率弧負曲率弧界面張力平衡2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理進一步提高加熱溫度進一步提高加熱溫
22、度T或延長保溫時間或延長保溫時間t,大晶粒將繼續(xù),大晶粒將繼續(xù)長大。長大。 晶粒長大方式:大吃小。這種長大過程稱為奧氏體的聚晶粒長大方式:大吃小。這種長大過程稱為奧氏體的聚集再結晶。集再結晶。驅動力大小驅動力大小: F=2/R 界面能界面能 ,晶粒尺寸,晶粒尺寸 , 奧氏體晶粒長大的驅動力奧氏體晶粒長大的驅動力F就愈就愈大,即晶粒長大的傾向性就愈大,晶界愈容易遷移。大,即晶粒長大的傾向性就愈大,晶界愈容易遷移。(2)晶粒長大阻力)晶粒長大阻力第二相質點的釘扎作用第二相質點的釘扎作用 F阻阻=3f/2r r-粒子半徑粒子半徑, f 粒子數(shù)粒子數(shù), -比界面能比界面能界界面面r第二相質點越細小,分
23、散,總阻力第二相質點越細小,分散,總阻力 2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理晶粒 I晶粒 II界面張力平衡2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理 950以上奧氏體晶粒突然長大的現(xiàn)象: 阻止晶粒長大的難溶第二相粒子發(fā)生聚合長 大或溶解于奧氏體中 “混晶”:出現(xiàn)晶粒大小極不均勻的現(xiàn)象。 由于沉淀析出粒子的分布是不均勻的 2. 奧氏體晶粒長大原理奧氏體晶粒長大原理 奧氏體晶粒長大是一種自發(fā)過程,其主要表現(xiàn)為晶界的推移,高度彌散的難溶第二相粒子對晶粒長大起很大的抑制作用。為了獲得細小的奧氏體晶粒,必須保證鋼中含有足夠數(shù)量和足夠細小的難溶第二相粒子。3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶
24、粒長大的因素 加熱溫度和保溫時間的影響加熱溫度和保溫時間的影響 T , t , A晶粒度晶粒度 晶界移動激活能或原子擴散跨越晶界激活能奧氏體晶粒直徑奧氏體晶粒長大速度奧氏體晶粒長大速度:隨著隨著T ,u呈指數(shù)函數(shù)關系迅速增大。同時,晶粒愈細小,界面能愈高,呈指數(shù)函數(shù)關系迅速增大。同時,晶粒愈細小,界面能愈高,晶粒長大速度晶粒長大速度u就愈大。但當晶粒長大到一定程度后,由于晶粒直徑增就愈大。但當晶粒長大到一定程度后,由于晶粒直徑增大,晶粒長大速度將減慢。大,晶粒長大速度將減慢。3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素加熱速度的影響加熱速度的影響 加熱速度越大,奧氏體的實際形成溫度越
25、高,加熱速度越大,奧氏體的實際形成溫度越高,形核率與長大速度之比(形核率與長大速度之比(I/G)隨之增大,可以)隨之增大,可以獲得細小的起始晶粒度;獲得細小的起始晶粒度; 快速加熱并且短時間保溫可以獲得細小的奧氏快速加熱并且短時間保溫可以獲得細小的奧氏體晶粒度;體晶粒度; 如果此時長時間保溫,由于起始晶粒細小,加如果此時長時間保溫,由于起始晶粒細小,加上實際形成溫度高,奧氏體晶粒很容易長大。上實際形成溫度高,奧氏體晶粒很容易長大。3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素鋼中碳含量的影響鋼中碳含量的影響碳在固溶于奧氏體的情況下,由于提高了鐵的自擴散系數(shù),將促碳在固溶于奧氏體的情況下
26、,由于提高了鐵的自擴散系數(shù),將促進晶界的遷移,使奧氏體晶粒長大。共析碳鋼最容易長大。進晶界的遷移,使奧氏體晶粒長大。共析碳鋼最容易長大。 C C晶粒晶粒 (C C在在A A中擴散速度及中擴散速度及FeFe的自擴散速度均增加);的自擴散速度均增加);當碳以未溶二次滲碳體形式存在時,由于其阻礙晶界遷移,所以當碳以未溶二次滲碳體形式存在時,由于其阻礙晶界遷移,所以將阻礙奧氏體晶粒長大。過共析碳鋼的加熱溫度一般選在將阻礙奧氏體晶粒長大。過共析碳鋼的加熱溫度一般選在 A Ac1c1 - - A- Accmccm 兩相區(qū),目的就是保留一定的殘留滲碳體。兩相區(qū),目的就是保留一定的殘留滲碳體。當含碳量超過一定
27、限度,當含碳量超過一定限度, C C晶粒晶粒 (第二相阻礙作用)。(第二相阻礙作用)。3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素合金元素的影響合金元素的影響 強烈阻止晶粒長大:強烈阻止晶粒長大:Nb、 Ti、 Zr、 V 、Ta 能夠阻止晶粒長大:能夠阻止晶粒長大:W、Mo、Cr 阻止晶粒長大作用較弱:阻止晶粒長大作用較弱:Si、Ni 促進晶粒長大的元素:促進晶粒長大的元素:Mn( 高碳情況下)、高碳情況下)、 P、C(溶入(溶入A中的情況下)中的情況下)難溶化合物易溶化合物3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素 原始組織的影響原始組織的影響 一般來說,原始組織愈細,碳化物彌散度愈大,所得到的奧氏體起始晶粒就愈細小。3. 影響奧氏體晶粒長大的因素影
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