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文檔簡(jiǎn)介
1、關(guān)于金屬材料熱處理第一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 公元前六世紀(jì),鋼鐵兵器逐漸被采用,為了提高鋼的硬度,淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟,其顯微組織中都有馬氏體存在,說(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。第一節(jié) 熱處理的發(fā)展史 早在公元前770前222年,中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn),銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。第二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 隨著淬火技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。三國(guó)蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀,相傳是派人到成都取水淬火的。這說(shuō)明中國(guó)在古代就注意
2、到不同水質(zhì)的冷卻能力了,同時(shí)也注意了油和尿的冷卻能力。 中國(guó)出土的西漢(公元前206公元24)中山靖王墓中 的寶劍,心部含碳量為0.150.4%,而表面含碳量卻達(dá) 0.6%以上,說(shuō)明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手 藝”的秘密,不肯外傳,因而發(fā)展很慢。第三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 1863年,英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織,證明了鋼在加熱和冷卻時(shí),內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變,鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。 法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論,以及英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖,為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí),人們還研究了
3、在金屬熱處理的加熱過(guò)程中對(duì)金屬的保護(hù)方法,以避免加熱過(guò)程中金屬的氧化和脫碳等。第四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 18501880年,對(duì)于應(yīng)用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進(jìn)行保護(hù)加熱曾有一系列專利。18891890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。 19011925年,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳 ;30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控,以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法; 20世紀(jì)60年代以來(lái),熱處理技術(shù)運(yùn)用等離子場(chǎng),發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ;激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用,又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方
4、法。第五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 在鑄造、壓力加工和焊接成形過(guò)程中,不可避免地存在組織缺陷。對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理主要源于提高其綜合機(jī)械性能,符合材料在設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中所遵循的“成分組織性能”的原則。第二節(jié) 熱處理的理論基礎(chǔ) 熱處理是將金屬材料以一定的速度加熱到預(yù)定溫度并保持預(yù)定的時(shí)間,再以預(yù)定的冷卻速度進(jìn)行冷卻的綜合工藝方法。第六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致材料失效的最大應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料陶瓷材料高分子材料金屬材料 強(qiáng) 度 疲勞強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度材料強(qiáng)度的唯一性判據(jù)第七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 通常研究的結(jié)構(gòu)材料在室
5、溫工作條件下,最需要考慮的是屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。斷裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度bk bk脆性材料塑性材料脆性材料的強(qiáng)度通常以k表示塑性材料的強(qiáng)度通常以b表示 大部分金屬材料屬于塑性材料,其塑性變形是靠位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的,因此,任何阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都可以成為提高金屬材料強(qiáng)度的途徑。第八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固溶強(qiáng)化: 當(dāng)合金由單相固溶體構(gòu)成時(shí),隨溶質(zhì)原子含量的增加,其塑性變形抗力大大提高,表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度上升,塑性和韌性值下降。CuNi固溶體的機(jī)械 性能與成分的關(guān)系A(chǔ)lMg固溶體的應(yīng)力應(yīng)變曲線b第九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì):晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、
6、電 交互作用和化學(xué)交互作用。其中最主要的是:溶質(zhì) 原子與位錯(cuò)的彈性交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。不同溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周圍的分布狀態(tài)Cotrell氣團(tuán)模型:溶質(zhì)原子與位錯(cuò)彈性交互作用的結(jié)果,使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯(cuò)的周圍,以減小點(diǎn)陣畸變,降低體系的能量。(它對(duì)位錯(cuò)有“釘扎”作用)第十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 細(xì)晶強(qiáng)化: 合金的晶粒越細(xì)小,內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細(xì)晶強(qiáng)化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性,原子能量高這一特點(diǎn),對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。 雙晶粒的拉伸試驗(yàn)說(shuō)明:晶界對(duì)形變有阻礙作用。雙晶粒拉伸示意圖低碳鋼的s 與晶粒大小的關(guān)系第十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 在右圖
7、中,低碳鋼的s 與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系,可用下式表示: s 0+Kd1/2 HallPetch公式細(xì)晶強(qiáng)化理論的提出: (1)針對(duì)不同常規(guī)材料,探索抑制其晶粒長(zhǎng)大的辦法。 (2)在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。 可以實(shí)現(xiàn)在提高材料強(qiáng)度的同時(shí),也改善材料的塑性和韌性,獲得最佳的強(qiáng)韌性配合。第十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 加工硬化: 加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加,強(qiáng)度、硬度升高;塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化(冷變形)是熱處理不能強(qiáng)化的金屬材料的主要強(qiáng)化方法。 曲線分為三階段1)易滑移階段(位錯(cuò)少干擾)2)線性硬化階段(位錯(cuò)塞積)3)拋物線硬化階段(螺
8、旋位錯(cuò) 啟動(dòng),位錯(cuò)密度下降)加工硬化曲線:第十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月晶粒度對(duì)加工硬化曲線的影響加工硬化的實(shí)質(zhì): 是金屬塑性變形時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生滑移,使晶粒變形和細(xì)化亞組織,因而產(chǎn)生大量的位錯(cuò),晶格嚴(yán)重畸變,內(nèi)部應(yīng)力增加,其宏觀效應(yīng)就是加工硬化。第十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月晶體結(jié)構(gòu)對(duì)加工硬化曲線的影響第十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 時(shí)效強(qiáng)化: 時(shí)效強(qiáng)化是指獲得過(guò)飽和固溶體后,在一定溫度下保溫析出過(guò)渡相、第二相等而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料強(qiáng)化的方法。第十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 第二相強(qiáng)化(彌散強(qiáng)化): 通過(guò)各種工藝手段使第二相質(zhì)點(diǎn)彌散分
9、布,可以阻礙合金內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而提高合金強(qiáng)度的方法。 第二相一般指各種化合物質(zhì)點(diǎn)。1)生產(chǎn)中可通過(guò)對(duì)馬氏體進(jìn)行回火的方法獲得彌散分布 的第二相;2)也可通過(guò)共晶化合物進(jìn)行熱壓力加工獲得;3)還可通過(guò)共析反應(yīng)獲得;4)另外還可通過(guò)粉末冶金方法獲得。獲得第二相的途徑:第十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月第二相在基體中的形態(tài)及分布: 以鋼中Fe3C的形態(tài)與分布為例: a:過(guò)共析鋼中, Fe3C呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上。 塑性、強(qiáng)度下降。 b:珠光體中, Fe3C與鐵素體呈平行間隔分布。 塑性、強(qiáng)度較高。(要求珠光體細(xì)小,片層間距?。?c: 共析鋼或過(guò)共析鋼經(jīng)球化退火后,F(xiàn)e3C呈顆粒
10、狀分布在晶界上。 強(qiáng)度下降,塑性上升,便于加工。第十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月彌散型兩相合金強(qiáng)化的主要影響因素: 1)顆粒直徑 2)第二相含量(體積分?jǐn)?shù)) 3)第二相的分布狀態(tài)第二相的強(qiáng)化機(jī)制:繞過(guò)機(jī)制切割機(jī)制第十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 復(fù)合強(qiáng)化: 利用兩種或兩種以上的強(qiáng)化方法,來(lái)達(dá)到塑性金屬材料強(qiáng)化的目的。鋼的形變熱處理固溶強(qiáng)化加工硬化 回火索氏體 第二相強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化第二十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固態(tài)相變 塑性金屬材料的強(qiáng)化機(jī)制表明:通過(guò)熱處理中的加熱和冷卻過(guò)程使合金產(chǎn)生固態(tài)相變,從而合金組織發(fā)生變化,最終導(dǎo)致材料性能產(chǎn)生變
11、化。 固態(tài)相變是指固態(tài)物質(zhì)在溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)改變時(shí),從一種組織結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變成另一種組織結(jié)構(gòu)。 材料科學(xué)研究中的固態(tài)相變主要是指溫度改變而產(chǎn)生的相變。固態(tài)相變主要包括三種基本變化:1)晶體結(jié)構(gòu)的變化;2)化學(xué)成分的變化;3)有序程度的變化。一種相變可同時(shí)包括一種、兩種或三種變化。第二十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 材料科學(xué)遇到的相變習(xí)慣上分為擴(kuò)散型相變和無(wú)擴(kuò)散型相變兩大類。 擴(kuò)散型相變的特點(diǎn)是通過(guò)激活原子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生,要求溫度高,原子活動(dòng)能力強(qiáng)。純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、固溶體的多形性轉(zhuǎn)變、以及脫溶轉(zhuǎn)變等均屬于此類。 無(wú)擴(kuò)散型相變的特點(diǎn)是相變中原子不發(fā)生擴(kuò)散、原子作有規(guī)則的近程遷移
12、,以使點(diǎn)陣改組;相變中相鄰原子的相互位置不變。在低溫下原子不能擴(kuò)散時(shí)易發(fā)生這類轉(zhuǎn)變,如一些合金中的馬氏體相變,某些低溫進(jìn)行的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(-Co(hcp)與-Co(fcc) 。第二十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固態(tài)相變的熱力學(xué)條件: 固態(tài)相變的熱力學(xué)所涉及的問(wèn)題主要是反應(yīng)能不能進(jìn)行,即新相能否形成,最根本的就是反應(yīng)過(guò)程G0是否成立。 與液態(tài)凝固時(shí)相比較,固態(tài)相變形核增加了一項(xiàng)應(yīng)變能,即G VGV S VGe 式中:V為新相體積;S為新、舊相的界面積;GV和Ge分別表示形成單位體積新相時(shí)自由能和應(yīng)變能;表示新、舊相界單位面積的界面能。第二十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022
13、年6月 固態(tài)相變的動(dòng)力力學(xué)條件: 固態(tài)相變的動(dòng)力學(xué)主要討論相變進(jìn)行的速率問(wèn)題,固態(tài)相變的速率是形核率和長(zhǎng)大速率的函數(shù),即與相變溫度有關(guān)的函數(shù)。 動(dòng)力學(xué)除了討論固態(tài)相變過(guò)程中的形核和晶粒長(zhǎng)大的速率問(wèn)題,還包括外界條件(溫度、壓力和磁場(chǎng))和組分對(duì)相變過(guò)程的影響及控制相變產(chǎn)物的組成等內(nèi)容。第二十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固態(tài)相變的晶體學(xué): 固態(tài)相變的晶體學(xué)主要描述晶體中原有相與新相之間的晶體學(xué)關(guān)系,如晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣常數(shù)等,分析新相形成的原子遷移過(guò)程。第二十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼鐵材料熱處理是通過(guò)加熱、保溫和冷卻方式借以改變合金的組織與性能的一種工藝方法,
14、其基本內(nèi)容包括熱處理原理及熱處理工藝兩大方面。第三節(jié) 鋼的熱處理 鋼鐵材料的強(qiáng)韌化重要有兩個(gè)途徑:一是對(duì)鋼鐵材料實(shí)施熱處理;二是通過(guò)調(diào)整鋼的化學(xué)成分,加入合金元素(亦即鋼的合金化原理),以改善鋼的性能。第二十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的熱處理原理鋼的熱處理相變溫度 鋼在加熱時(shí),實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度,冷卻時(shí)也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加,滯后現(xiàn)象將越加嚴(yán)重。通常把加熱時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“C”,如AC1、AC3、ACm等;把冷卻時(shí)的臨界溫度標(biāo)以字母“r”,如Ar1、Ar3、Arm等。第二十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 加熱時(shí)鋼的組織轉(zhuǎn)變1
15、、奧氏體的形成過(guò)程 鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過(guò)程又稱為奧氏體化。以共析鋼的奧氏體形成過(guò)程為例。 第二十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月3)殘留滲碳體的溶解: 鐵素體全部消失以后,仍有部分剩余滲碳體未溶解,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),這些剩余滲碳體不斷地溶入到奧氏體中去,直至全部消失。 1)奧氏體形核:奧氏體的晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體的界面上形成。2)奧氏體晶核長(zhǎng)大: 奧氏體晶核形成以后,依靠鐵、碳原子的擴(kuò)散,使鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入到奧氏體中去而進(jìn)行的。第二十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月4)奧氏體均勻化: 滲碳體全部溶解完畢時(shí),奧氏體的成分是不均勻的,只有延長(zhǎng)保溫
16、時(shí)間,通過(guò)碳原子的擴(kuò)散才能獲得均勻化的奧氏體。亞共析鋼的加熱過(guò)程:過(guò)共析鋼的加熱過(guò)程: 第三十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2、奧氏體晶粒大小及其控制 1)晶粒大小的表示方法 晶粒大小廣泛采用的是與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片(標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖)相比較的方法來(lái)評(píng)定晶粒大小的級(jí)別。通常將晶粒大小分為8級(jí),1級(jí)最粗,8級(jí)最細(xì)。通常14級(jí)為粗晶粒度,58級(jí)為細(xì)晶粒度。 2)奧氏體晶粒大小的控制加熱溫度與保溫時(shí)間 加熱溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),奧氏體晶粒越粗大,因?yàn)檫@與原子擴(kuò)散密切相關(guān)。第三十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等,當(dāng)其形成彌散穩(wěn)定的碳化物和氮化物時(shí),由
17、于分布在晶界上,因而阻礙晶界的遷移,阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,有利于得到細(xì)晶粒鋼。Mn和P是促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元素。 加熱速度 加熱速度越快,過(guò)熱度越大,奧氏體實(shí)際形成溫度越高,可獲得細(xì)小的起始晶粒。鋼的化學(xué)成分 碳全部溶于奧氏體時(shí),隨奧氏體中含碳量的增加,晶粒長(zhǎng)大傾向增大。第三十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 冷卻時(shí)鋼的組織轉(zhuǎn)變1、鋼的冷卻方式 熱處理時(shí)常用的冷卻方式有兩種:一是等溫冷卻(常用于理論研究);二是連續(xù)冷卻(常用于生產(chǎn))。 A12、過(guò)冷奧氏體等溫冷卻曲線的繪制 通常將處于A1以下溫度尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過(guò)冷奧氏體。鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是過(guò)冷奧氏體的組織轉(zhuǎn)變。第
18、三十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月1)等溫冷卻試驗(yàn):(a) 首先將若干薄圓片狀試樣放入錫熔爐中,在高于共析溫度的條件下進(jìn)行奧氏體化;(b)將上述奧氏體化后的試樣迅速放入另一錫熔爐保溫,爐溫低于共析溫度;(c)依據(jù)試樣保溫時(shí)間的差異,分別從爐中取出試樣,置于水中快冷;(d)磨制金相試樣,并觀察顯微組織。第三十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 在不同溫度重復(fù)上述等溫轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn),可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出奧氏體鋼的等溫冷卻曲線。第三十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 曲線的左邊一條線為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線;右邊一條線為過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。該曲線下部還有兩條水平線,分別
19、表示奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms線和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf線。 2)過(guò)冷奧氏體等溫冷卻曲線曲線分析 在C曲線中,在不同過(guò)冷奧氏體開始出現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的時(shí)間不同,這段時(shí)間稱為“孕育期”。其中,以C曲線最突出處(凸點(diǎn))所對(duì)應(yīng)的溫度孕育期最短。 過(guò)冷奧氏體等溫冷卻曲線形似“C”字,故俗稱C曲線,反應(yīng)了“溫度時(shí)間轉(zhuǎn)變量”的關(guān)系,所以C曲線又稱為TTT圖(Temperature-TimeTransformation Diagram)。 第三十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月板狀馬氏體馬氏體變溫形成,與t保無(wú)關(guān);馬氏體轉(zhuǎn)變不完全性,鋼中常存在殘余A(性能下降),常要求淬火T接近Mf “冷處理”.馬氏
20、體性能與含碳量有關(guān) 非擴(kuò)散型(Fe和C均不擴(kuò)散)C在-Fe中的過(guò)飽和固溶體(bcc)240-50M片(針)狀馬氏體馬氏體板狀:低碳鋼中, F和 Fe2.4C的復(fù)相組織。 片狀:高碳鋼中,復(fù)相組織。F飽和+ Fe2.4C350240B下下貝氏體羽毛狀:在平行密排的過(guò)飽和F板條間,不均勻分布短桿(片狀)Fe3C ,脆性大,工業(yè)上不應(yīng)用半擴(kuò)散型(只有C擴(kuò)散)F飽和+ Fe3C550350B上上貝氏體貝氏體間距:0.030.08m,2000 600550T屈氏體間距:0.250.08m,1000 650600S索氏體片層間距:0.251.9m,500擴(kuò)散型(Fe和C均擴(kuò)散)F+Fe3CA1650P珠光
21、體珠光體 特 征轉(zhuǎn)變類型相組成轉(zhuǎn)變溫度/符號(hào)組織名稱注:w(c)1.0時(shí)形成片狀馬氏體,HRC:6466; w(c)0.2時(shí)形成板狀馬氏體, HRC:3050 。第三十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月3、非共析成分碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變 非共析鋼的C曲線與共析鋼的C曲線不同。區(qū)別在于:亞共析鋼曲線左移,在其上方多了一條過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變開始線; 過(guò)共析鋼曲線右移,在其上方多了一條過(guò)冷奧氏體析出二次滲碳體的開始線。 亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖第三十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月4、共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 C曲線(TTT圖)反應(yīng)了過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的全貌,但在實(shí)際生產(chǎn)中,鋼的熱
22、處理大多是采用連續(xù)冷卻,因此,測(cè)出奧氏體的連續(xù)冷卻曲線,即CCT圖(右圖陰影部分),有很大的現(xiàn)實(shí)意義。Continuous Cooling Transformation DiagramVc第三十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月臨界冷卻速度:是指使奧氏體在冷卻過(guò)程中直接轉(zhuǎn)變成馬氏體而不發(fā)生其它轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度,即臨界淬火速度。第四十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的普通熱處理 退火 將鋼加熱到一定溫度進(jìn)行保溫,緩冷至600以下,再空冷至室溫的熱處理工藝。各種退火和正火的一般加熱范圍第四十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月名稱目的工藝制度組織應(yīng)用完全退火細(xì)化晶
23、粒,消除鑄造偏析,降低硬度,提高塑性加熱到AC32050,爐冷至550 左右空冷 FP亞共析鋼的鑄、鍛、軋件,焊接件球化退火降低硬度,改善切削性能,提高塑性韌性,為淬火作組織準(zhǔn)備加熱到AC12040,然后緩冷片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罟参?、過(guò)共析鋼及合金鋼的鍛件、軋件等擴(kuò)散退火改善或消除枝晶偏析,使成分均勻化加熱到Tm-100200 ,先緩冷,后空冷粗大組織(組織嚴(yán)重過(guò)燒)合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件再結(jié)晶退火消除加工硬化,提高塑性加熱到再結(jié)晶溫度,再空冷變形晶粒變成細(xì)小的等軸晶冷變形加工的制品去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力,提高尺寸穩(wěn)定性加熱到500650 緩冷至200 空冷 無(wú)變化鑄、鍛
24、、焊、冷壓件及機(jī)加工件常用退火工藝制度小結(jié)第四十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 正 火 正火將鋼加熱到AC3以上溫度并保溫,出爐空冷至室溫的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高,冷卻速度大,故珠光體的分散度大,先共析鐵素體的數(shù)量少,因而正火后強(qiáng)度、硬度較高。正火的應(yīng)用: 用正火作為性能要求的一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。 亞共析鋼采用正火來(lái)調(diào)整硬度,改切削加工性能。 過(guò)共析鋼的正火可消除網(wǎng)狀碳化物。第四十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 淬 火1、定義:淬火是將鋼加熱到AC1或 AC3以上溫度并保溫,出爐快速冷卻,使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體的熱處理工藝。2、淬火的必要性 經(jīng)過(guò)
25、退火或正火的工件只能獲得一般的強(qiáng)度和硬度,對(duì)于許多需要高強(qiáng)度、高耐磨條件下工作的零件則必須淬火與回火處理。3、鋼在淬火時(shí)的組織和性能變化1)獲得馬氏體的條件(a)通過(guò)加熱使鋼具有奧氏體組織;第四十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月(b)冷卻速度超過(guò)臨界冷卻速度;(c)在MsMf溫度范圍使過(guò)冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。2)馬氏體的形成過(guò)程(a)當(dāng)奧氏體過(guò)冷到MS點(diǎn)時(shí),首先在晶粒內(nèi)的某些晶面上生成馬氏體晶核,并迅速長(zhǎng)大;(b)馬氏體轉(zhuǎn)變不依靠已形成馬氏體晶體的長(zhǎng)大,而且依靠出現(xiàn)新的馬氏體晶核,即馬氏體形成與t保無(wú)關(guān)。(c)奧氏體常常不能完全轉(zhuǎn)變成馬氏體主要源于生產(chǎn)上冷卻溫度沒有真正達(dá)到Mf點(diǎn)
26、。第四十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月馬氏體形成過(guò)程示意圖3)馬氏體的組織形態(tài) 馬氏體有兩種基本形態(tài):板條馬氏體和片狀馬氏體。 W(C)0.20%時(shí):基本上形成板條狀馬氏體(也稱低碳馬氏體),板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯(cuò)纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu),又稱為位錯(cuò)馬氏體。 第四十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 板條馬氏體 片狀馬氏體W(C)0.60%時(shí):形成片狀馬氏體(針狀馬氏體),片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。因此,片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。 0.20 %W(C)0.60%時(shí):形成上述兩種馬氏體的混合組織,含碳量越高,條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。 第四十七張,PPT共八十
27、六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月4)馬氏體的力學(xué)性能 馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。在相同屈服強(qiáng)度條件下,板條(位錯(cuò))型馬氏體比片狀(孿晶)型馬氏體的韌性好得多。 馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量,通常情況是隨含碳量的增加而升高。5)小結(jié) 馬氏體轉(zhuǎn)變是典型的無(wú)擴(kuò)散性相變。馬氏體是碳在Fe中的過(guò)飽和固溶體,具有非常高的強(qiáng)度和硬度所以,馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化金屬的重要途徑之一。 第四十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 將鋼加熱到Ac1或Ac3以上,保溫一定時(shí)間,然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。 1)淬火加熱溫度 淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細(xì)而均勻的奧氏體晶粒為原則,
28、以便冷卻后獲得細(xì)小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上3050;過(guò)共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上3050。 4、鋼的淬火工藝第四十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2)淬火保溫時(shí)間 淬火保溫時(shí)間主要根據(jù)鋼的成分特點(diǎn)、加熱介質(zhì)和零件尺寸來(lái)確定。 (a)含碳量越高,含合金元素越多,導(dǎo)熱性越差,則保溫時(shí)間就越長(zhǎng);(b)零件尺寸越大,保溫時(shí)間越長(zhǎng);(c)生產(chǎn)中常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定保溫時(shí)間;第五十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月3)淬火冷卻速度淬火冷卻介質(zhì)選擇的原則:(a)為保證獲得馬氏體組織,要求V冷卻V臨界;(b)為保證零件不因淬火應(yīng)力而開裂,要求V冷卻不應(yīng)太 大
29、,應(yīng)該選擇合適的冷卻介質(zhì)。水: 主要用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油: 一般用作合金鋼和某些小型復(fù)雜碳素鋼件的淬火。鹽?。簽榱藴p少零件淬火時(shí)的變形,鹽浴也常用作淬火 介質(zhì),主要用于分級(jí)淬火和等溫淬火。第五十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 采用有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等配制而成的水溶性聚合物淬火介質(zhì),和淬火油改性添加劑,由于冷卻能力可調(diào)整,使用中介質(zhì)濃度可簡(jiǎn)便測(cè)定,有減少變形、防止淬裂,不銹蝕、免清洗、 無(wú)味、無(wú)煙霧、不著火,使用溫度高,環(huán)保、少無(wú)污染,正常消耗是傳統(tǒng)油淬火的40%等特點(diǎn),因而在國(guó)外已普及推廣應(yīng)用。 但我國(guó)仍普遍采用通用的礦物油,一定比例的氯化鈉水溶液、堿溶液及硝鹽
30、溶液為冷卻介質(zhì)。因而造成嚴(yán)重的污染。 第五十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月5、常用淬火冷卻方法 為了保證獲得所需淬火組織,又要防止變形和開裂,必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級(jí)淬火和等溫淬火等,如圖所示。第五十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月6、鋼的淬透性和淬硬性 鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度(又稱有效淬硬深度)的距離作為淬透層深度。 生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑,是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時(shí)所能得到的最大淬透直徑(即心部被淬成
31、半馬氏體的最大直徑),用Do表示。在相同冷卻條件下,Do越大,鋼的淬透性越好。 第五十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月淬透性的應(yīng)用:(1)淬透性大的工件易淬透,組織和性能均勻一致;(2)淬火性大的工件在淬火時(shí),可選用冷卻能力較小的 淬火介質(zhì)以減小淬火應(yīng)力。(3)對(duì)受力大而復(fù)雜的工件,為確保組織性能均勻一致, 可選用淬透性大的鋼。(4)當(dāng)要求工件表面硬度高,而心部韌性好時(shí),可選用 低淬透性鋼。鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度,淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。 第五十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 回 火1、定義:回火是把淬火后的鋼件,重新加熱到A1以下某一溫
32、度,經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。2、目的:淬火鋼件經(jīng)回火可以減少或消除淬火應(yīng)力,穩(wěn)定組織,提高鋼的塑性和韌性,從而使鋼的強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性得到適當(dāng)配合,以滿足不同工件的性能要求。3、回火過(guò)程的組織變化:第一階段(室溫250):馬氏體中的過(guò)飽和碳原子析出,形成碳化物FexC,得到回火馬氏體組織。第五十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月第二階段(230280):馬氏體繼續(xù)分解,同時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)飽和固溶體與碳化物,得到回火馬氏體組織。第三階段(260360):馬氏體繼續(xù)分解,碳原子繼續(xù)析出使過(guò)飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體;回火馬氏體中的FexC 轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的粒狀滲碳體,得到鐵素體和
33、極細(xì)滲碳體的機(jī)械混合物,即回火屈氏體。第四階段(400以上):碳化物聚集長(zhǎng)大,溫度越高碳化物越大,得到粒狀碳化物與鐵素體的機(jī)械混合物,即回火索氏體。第五十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 回火的目的是降低應(yīng)力和脆性,獲得回火馬氏體組織,使鋼具有高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。低溫回火一般用來(lái)處理要求高硬度和高耐磨性的工件,如刀具、量具、滾動(dòng)軸承和滲碳件等。(HRC60)4、回火的種類:1)低溫回火(150250)2)中溫回火(350500) 回火的目的是獲得回火屈氏體,具備高的彈性極限和韌性,并保持一定的硬度,主要用于各種彈簧,鍛模、壓鑄模等模具。(35HRC45) 第五十八張,PPT共八
34、十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月3)高溫回火(500650) 回火的目的是具備良好的綜合機(jī)械性能(較高的強(qiáng)度、塑性、韌性),得到回火索氏體組織。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機(jī)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等重要機(jī)器零件。(28HRC33) 第五十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 需要指出,有些鋼在250400和450650的范圍內(nèi)回火時(shí),其沖擊韌性比在較低溫度回火時(shí)還顯著下降,這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性,又叫第一類回火脆性;而在450650溫度范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性
35、,也叫第二類回火脆性。 為防止低溫回火脆性,通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。 第六十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的表面熱處理鋼的表面淬火 表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度,然后迅速冷卻,僅使表面層獲得淬火組織,而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。1、火焰表面淬火: 火焰表面淬火是氧炔焰等高溫?zé)嵩磳⒐ぜ砻嬖S速加熱到形變溫度以上,然后立即進(jìn)行低溫回火,或利用工件內(nèi)部余熱自身回火。 這種方法可獲得26mm的淬透深度,設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低,適于單件或小批量生產(chǎn)。第六十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2、感應(yīng)表面淬火:感應(yīng)加熱表
36、面淬火的特點(diǎn): 淬火溫度高于一般淬火溫度。 淬火后馬氏體晶粒細(xì)化,表層硬度比普通淬火高23HRC。 表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。 不易產(chǎn)生變形和氧化脫碳。 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。感應(yīng)加熱淬火后,為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性,需進(jìn)行170200低溫回火。 感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理,表層感應(yīng)電流密度大,溫度高;心部幾乎不受熱。第六十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的化學(xué)熱處理是指將工件放在一定溫度的活性介質(zhì)中保溫,使介質(zhì)中分解出的一種或幾種元素的活性原子被鋼件表面吸附并向表層擴(kuò)散,從而改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。 鋼的化學(xué)熱處理基本過(guò)程: 鋼件加熱時(shí),化學(xué)介
37、質(zhì)分解出滲入元素的活性原子; 活性原子被鋼件表面吸附和溶解; 原子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散,形成一定的擴(kuò)散層。 第六十三張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫,使活性碳原子1、鋼的滲碳:滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過(guò)滲碳及隨后的淬火和低溫回火,使表面獲得高碳回火馬氏體,具有高硬度、耐磨性和抗疲勞性能;而心部為低碳回火馬氏體或索氏體,具有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合。氣體滲碳示意圖第六十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月1)滲碳方法 滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。2)滲碳后的組織 常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金
38、鋼,如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為:過(guò)共析組織(珠光體+碳化物)、共析組織(珠光體)、亞共析組織(珠光體+鐵素體)的過(guò)渡區(qū),直至心部的原始組織。 第六十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月3)滲碳后的熱處理 滲碳后的熱處理方法有:直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。 滲碳后的淬火和低溫回火示意圖第六十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2、鋼的滲氮: 滲氮俗稱氮化,是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面,在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、熱硬性和耐蝕性等。
39、常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲(軟氮化)等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。 1)滲氮方法第六十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2)滲氮后的組織 含有Al、Cr、Mo等元素的合金鋼C、N和Fe的化合物C、N溶于-Fe的固溶體彌散合金氮化物(如AlN等)3)滲氮后的鋼件性能 氮化層HRC為6973,在600650有較高紅硬性; 一般,T滲氮T滲碳,無(wú)需進(jìn)一步熱處理,滲氮層各性 能均優(yōu)于滲碳層,工件不易變形; 氮化層比碳化層薄且脆;且t滲氮t滲碳,生產(chǎn)效率低。 為提高工件心部強(qiáng)韌性,需在滲氮前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。 第六十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 碳氮共滲新介質(zhì)的
40、研制是金屬熱處理研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。 早期使用的NaCN等氰鹽均有劇毒,現(xiàn)已禁用。新一代碳氮共滲介質(zhì)往往同時(shí)考慮工藝性能和環(huán)保兩方面的因素。常用的介質(zhì)是煤氣和氨氣的混合物。3、鋼的碳氮共滲(氰化): 碳氮共滲是同時(shí)向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學(xué)熱處理工藝,也俗稱為氰化。碳氮共滲零件的性能介于滲碳與滲氮零件之間。 第六十九張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的熱處理新工藝介紹 無(wú)氧化加熱 利用可控氣氛,即通過(guò)精確計(jì)量和微機(jī)控制技術(shù)對(duì)爐內(nèi)的氣體組分加以控制。如含碳液體或氣體的分解和裂解的碳濃度的控制。1、保護(hù)氣氛加熱:2、采用保護(hù)涂料: 目前鋼和鈦合金已在熱處理中大量利用保護(hù)涂料來(lái)避免工
41、件氧化。涂料由Al2O3、SiO2、SiC和其他金屬氧化物以及液態(tài)粘結(jié)劑配置而成。第七十張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 在真空爐中受真空氣氛保護(hù),可防止工件氧化、減小變形;但容易引起元素?fù)]發(fā)。適于中小型零件的處理。3、真空熱處理: 目前,實(shí)際生產(chǎn)中還采用以下先進(jìn)工藝:利用高能量密度對(duì)零件作超高速加熱,然后自激淬火,具有不氧化、不脫碳、變形小、表面光潔,提高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度等的高頻和超高頻脈沖熱處理和激光熱處理以及電子束熱處理。 超高速加熱第七十一張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 強(qiáng)韌化處理是指同時(shí)提高鋼件強(qiáng)度和韌性的熱處理。 強(qiáng)韌化處理1、獲得板狀馬氏體:1)提高淬
42、火加熱溫度 促進(jìn)奧氏體中碳的均勻化,以保證淬火后獲得板狀馬氏體(低碳馬氏體)。 2)快速短時(shí)低溫加熱淬火 減少碳化物在奧氏體中的溶解,使高碳鋼中的奧氏體處于亞共析成分(低碳)。 3)鍛造余熱淬火 將高溫鍛件直接淬火可得到細(xì)晶粒板狀馬氏體。 第七十二張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月2、超細(xì)化處理: 超細(xì)化處理是指將鋼在一定的溫度條件下,通過(guò)數(shù)次快速加熱和冷卻等方法以獲得極細(xì)組織,從而達(dá)到強(qiáng)韌化的目的。 3、獲得復(fù)合組織的淬火: 復(fù)合組織主要是指淬火馬氏體和少量鐵素體或下貝氏體(或殘余奧氏體)的機(jī)械混合物。 復(fù)合組織可通過(guò)調(diào)整熱處理工藝獲得,它的硬度稍低,但韌性大幅提高。 第七十三張,P
43、PT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 化學(xué)熱處理新工藝:離子轟擊熱處理:在真空氣氛下,將含C、 N、 S等離子束高速轟擊到工件表面,工件迅速受熱升溫至碳化或氮化溫度,同時(shí)原子進(jìn)入工件表面形成滲碳層或滲氮層等。 離子轟擊熱處理示意圖如右圖所示第七十四張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 鋼的形變熱處理: 形變熱處理是指將變形強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化結(jié)合起來(lái)的工藝方法。 形變熱處理工藝示意圖第七十五張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 固溶與時(shí)效處理 固溶時(shí)效處理是有色金屬材料如鋁合金、鈦合金、高溫合金,以及少量鋼鐵材料如不銹鋼以及耐熱鋼等的最重要的強(qiáng)化處理手段。待處理的有色金屬鑄件第七
44、十六張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固溶時(shí)效強(qiáng)化的基本原理及步驟 單獨(dú)靠固溶作用對(duì)合金的強(qiáng)化作用是很有限的,另一種更為有效的強(qiáng)化方式就是合金的固溶(淬火)處理+時(shí)效熱處理。固溶時(shí)效強(qiáng)化示意圖第七十七張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月 固溶時(shí)效處理的一般步驟1、固溶處理: 將合金通過(guò)加熱到固溶線以上、固相線以下溫度保溫,獲得成分均勻的固溶體組織。2、淬火: 將固溶處理好的工件快冷到較低溫度,得到過(guò)飽和單相固溶體。(與鋼淬火組織不同)3、時(shí)效: 使過(guò)飽和固溶體析出細(xì)小彌散沉淀相的過(guò)程。自然時(shí)效:室溫下時(shí)效;人工時(shí)效:在高于室溫(固溶溫度與室溫之差的15到25)進(jìn)行時(shí)效。第七十八張,PPT共八十六頁(yè),創(chuàng)作于2022年6月(1)沉淀強(qiáng)化相是硬度高的質(zhì)點(diǎn);
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