机械制造工艺基础复习思考题

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复习思考题(第一章)
1、什么叫应力?什么叫应变?低碳钢拉伸应力-应变曲线可分为哪几个变形阶段?这些
阶段各具有什么明显特征?
材料受到外力作用时,其内部也产生抵抗力,单位横截面上的抵抗力就称为应力。

应变:在应力作用下,单位长度上的伸长量称为应变。

应力-应变曲线可以分为以下五个阶段:
(1)弹性阶段。

在此阶段应力与应变成线性关系,应变随应力的增加而增大,当外力取消后,试样恢复原状。

(2)屈服阶段。

在外力作用下,试样除发生弹性变形以外,还发生部分塑性变形。

外力消除后,弹性变形消失,塑性变形保留。

(3)颈缩阶段。

试样在外力的作用下,试样发生局部变细的“缩颈”现象,变形集中在缩颈部位。

(4)断裂。

当外力达到一定值时,试样在“颈缩”处发生断裂。

2、由拉伸试验可以得到哪些力学性能指标?在工程上这些指标是怎样定义的?
在拉伸试验可测得力与变形的变化,因此可以测出材料的强度指标和塑性指标。

强度指标包括:弹性极限、屈服强度、抗拉强度;
弹性极限:试样不产生永久变形的最大应力。

以σe表示;
屈服强度:试样产生屈服时的应力。

以σs表示;
抗拉强度:断裂前的最大应力。

以σb表示;
塑性指标包括:伸长率和端面收缩率
伸长率:试样拉断后的标距长度与原始标距长度之差与原始标距长度的比值比。

以δ表示;
断面收缩率:试样拉断后的断口处的横截面积与原始横截面积之差与原始横截面积的百分比。

以ψ表示;
3、(略)
4、设计刚度好的零件,应根据何种指标选择材料?材料的弹性模量E愈大,则材料的塑
性愈差。

这种说法是否正确?为什么?
刚度是表征材料抵抗弹性变形能力的力学指标,反映了材料抵抗弹性变形能力的大小。

刚度的物理意义是指金属材料产生单位弹性的相对变形所需的应力,即材料力学中的弹性模量。

因此设计刚度好的零件应根据材料的弹性模量来选择。

说法错误。

弹性模量是表征材料抵抗弹性变形的量,而塑性是在外力的作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

二者表达的意思不同,两者之间的联系不紧密,因此不能简单地这样说。

5、反映材料承受冲击载荷的性能指标是什么?不同条件下测得的这种指标能否进行比
较?怎样应用这种指标?什么叫韧脆转变温度?
(1) 反映材料承受冲击载荷的性能指标是冲击韧度。

(2) 材料的冲击韧度不仅取决于材料本身的性质,而且还与环境温度、缺口的状况有关,因此不同条件下测得的冲击韧度不能比较。

(3) 在对零部件承受冲击载荷时必须考虑材料的冲击韧度,同时还可以表征材料对缺口敏感性。

还可以测量材料的韧脆转变温度。

(4) 韧脆转变温度是指金属材料随环境温度下降由塑性状态转变为脆性状态的临界温度。

6、常用的硬度测试方法有几种?这些方法测出的硬度值能否进行比较?什么叫疲劳极
限?为什么表面强化处理能有效地提高疲劳极限?
常用的硬度测试方法有三种:
压入法:如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度;
划痕法:如莫氏硬度;
回跳法:如肖氏硬度。

疲劳极限是指材料经交变应力无数次循环作用而不断裂的作大应力。

材料的疲劳极限不仅取决于材料本身的组织结构状态,而且还与材料的表面粗糙度和张应力有关。

因此通过表面强化处理,改变材料的表面粗糙度和张应力可以提高疲劳极限。

7、下列几种工件应该采取何种硬度试验法测定其硬度?
(1) 锉刀;(2) 黄铜轴套; (3) 供应状态下的各种碳钢; (4) 硬质合金刀具; (5)耐磨工件的表面硬化层。

(1) 锉刀→洛氏硬度 (2) 黄铜轴套→布氏硬度
(3) 供应状态下的各种碳钢→维氏硬度 (4) 硬质合金刀具→洛氏硬度
(5) 耐磨工件的表面硬化层→维氏硬度
8、为什么硬度试验比拉伸试验在生产中更实用?
硬度氏衡量金属材料软硬程度的指标。

它是表征材料强度与塑性的一个综合指标。

硬度试验设备简单、操作迅速方便,同时又可以直接地、非破坏性地在工件上进行试验。

根据硬度测定值也可近似估计出材料的抗拉强度和耐磨性。

因此硬度试验比拉伸试验更广泛地在工程上应用。

9、断裂韧度是表示材料的何种性能的指标?为什么在设计中要考虑这种指标?
断裂韧度氏用来反映材料抵抗裂纹扩展的能力,是材料本身特有的一种力学指标。

断裂韧度是强度和韧性的综合体现。

主要取决于材料的成分、内部组织与结构、各种缺陷和生产工艺过程有关。

在工程上实际应用的材料,其内部不可避免地存在一定的缺陷,这些缺陷破坏了材料的连续性导致材料的强度降低,使得材料在使用中产生破坏。

因此在设计中要考虑断裂韧度是否达到安全标准。

复习思考题(第二章)
1、解释下列名词:晶体的各向异性,晶体和非晶体,组元,固溶体,金属化合物,过冷度,非自发形核,变质处理,同素异构转变,匀晶发应,共晶反应。

晶体的各向异性:在不同的方向上晶体的性能表现出不同的差异称为晶体的各向异性。

晶体:质点(原子、分子或离子)在三维空间有规则地周期性排列的物体称为晶体。

非晶体:质点(原子、分子或离子)在三维空间无规则地排列的物体称为非晶体。

组元:组成合金的最基本的、能独立存在的物质。

固溶体:合金结晶成固态时,含量少的组元(溶质)原子分不再含量多的组元(溶剂)晶格中形成一种与溶剂有相同晶格的相,称为固溶体。

金属化合物:合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物。

过冷度:液态金属在冷却时,实际开始结晶温度要低于理论结晶温度。

理论结晶温度与实际开始结晶温度的差称为过冷度。

非自发形核:金属内部总含有外来杂质,杂质的存在能够促使晶核在其表面形成。

这种依附于杂质的晶核形成方式称为非自发形核。

变质处理:是在液态金属中加入某些难熔的固态粉末(变质剂)。

同素异构转变:金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变。

匀晶反应:两组元在液态无限互熔,在转变为固态时析出单相固溶体的过程,称为匀晶反应。

共晶反应:由一种液相在恒温下结晶出两种固相的反应,称为共晶反应。

2、(略)
3、金属结晶的条件和动力是什么?
金属结晶的条件是液态金属必须处于理论结晶温度以下。

即金属结晶的充分必要条件是液态金属必须具有一定的过冷度。

金属结晶的动力是由热力学定律可知,自然界的任何自发转变过程都是由高能态向低能态的转变,低能态是最稳定的状态。

金属的结晶过程也是如此。

在液态与固态之间的自由能差是促进液态金属结晶的动力。

4、绘图简明金属结晶过程的一般规律?
液态金属在结晶时,首先在液体中形成一些极微小的晶体(也成晶核),然后在以它们为核心不断地长大;在这些晶体长大的同时,又出现新的晶核并逐渐长大,直到液体金属完全凝固为止。

5、何谓组元、成分、合金系、相图?二元合金相图表达了合金的那些关系?有哪些实际意义?
组元:组成合金的最基本的、能独立存在的物质。

成分:
合金系:是指组元相同而成分比例不同的一系列合金。

二元合金相图就是用图解的方法表示不同成分、不同温度下的合金中相的平衡关系。

二元合金相图有助于了解不同成分的合金在温度变化时的相变及组织形成的规律。

6、 简述金属铸锭的组织形成的一般规律?
金属铸锭是指液态金属被注入铸模或铸锭中,是一个金属液体结晶的过程。

其宏观组织形成有以下规律:
表层细晶区 由于在浇注时铸件(铸锭)壁温度较低,有强烈的吸热和散热作用,因此在靠近型壁的液体产生极大的过冷度,同时型壁也可以作为非自发形核的核心,从而在型壁形成极细小的等轴晶粒区。

柱状晶区 在表层细晶区形成后,型壁被加热到很高的温度,使得剩余液体的过冷度减小,继续形核变慢,只有已形成的晶体在液体中生长。

由于此时的热量散失方向垂直于型壁,因此只有沿着垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长,从而形成柱状晶区。

中心等轴晶区 由于表层晶区、柱状晶区的阻碍以及它们在结晶时散发的大量潜热,使得铸锭心部的过冷度较小。

因此铸件心部的液体在杂质的作用下以非自发形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶区。

7、 何谓合金的组织组成物?指出W(Sn)=30%的Pb-Sn 合金在183℃下全部结晶完毕后的组织组成物和相组成物,并利用杠杠定律计算它们的质量分数。

合金的组织组成物:是指合金组织中具有确定本质,一定形成机制的特殊形态的组成部分。

W(Sn)=30%的Pb-Sn 合金在183℃下全部结晶完毕后的组织组成物为初生α+βⅡ和共晶体(α+β);其相组成物为α和β。

相组成物的质量分数: 组织组成物的质量分数:
%30%10010030)(%70%100100
70)(=×==×=
βϖαϖ8、 什么是共晶反应?什么是共析反应?它们各有何特点?
恒温下,液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相的反应成为共晶反应
恒温下,一个固相中同时析出两种成分、结构不同的固相的反应成为共析反应
相同点:恒温转变,同时生成两个成分、结构不同的固相
不同点:
共析 —— 母相是固相,在固态转变
共晶 —— 母相是液相,在液态转变
9、 分析%2.1)(%77.0)(%45.0)(===c W c W c W 、、的铁碳合金从液态缓冷至室温的结晶过程及室温组织。

分别计算室温下%2.1)(=c W 的铁碳合金的相的相对量和组织相对量。

%45.0)(=c W :从Fe-Fe3C 相图可知,含碳量低于B 点的亚共析钢在冷凝过程中均发生包晶反应,反应产物是奥氏体A;合金通过匀晶反应结晶成奥氏体后,继续冷至GS 线(时,将从奥氏体中析出铁索体,且奥氏体和铁素体的成分分布沿着GS 线和GP 线变化。

冷至727℃时.奥氏体的成分变至共析点,通过共析反应转变为珠光体。

%77.0)(=c W :合金首先发生匀晶转变结晶出奥氏体;奥氏体冷却到共析线时,在恒温条件下发生共析转变,同时析出铁素体和渗碳体。

由于渗碳体与铁素体呈相间的片层结构,在低倍显微镜下难于区分,因此又称为珠光体。

%2.1)(=c W :首先发生匀晶转变结晶出奥氏体;奥氏体冷却到ES 线上的点时,奥氏体开始
析出渗碳体(又称为二次渗碳体);由于渗碳体的析出,剩余奥氏体的含碳量沿ES 不断下降,当达到共析线时,发生共析转变,剩余的奥氏体转变成珠光体。

因此其室温下最终产物为二次渗碳体+珠光体。

其组织组成物成分为: 其相组成物成分为:
%93)(1)(%7%10077
.069.677.02.1)(33=−=≈×−−=
C Fe W P W C Fe W %82)(1)(%18%1000008
.069.60008.02.1)(33=−=≈×−−=
C Fe W P W C Fe W 10、 默绘相图,并填出各区的组织,标明重要的点、线、面、成分及温度。

图中组元碳的质量分数为什么只研究到6.69%?
C Fe -Fe 3当碳的含量超过 6.69%以后,其室温下的组织全部为渗碳体,渗碳体特性为硬而脆,没有实际应用价值,因此对铁碳合金相图的研究直到含碳量6.69%。

11、
组织中珠光体的质量分数为75%,铁组成物与含碳量的关系:
过共析钢。

其含碳量为:
现有两种铁碳合金,一种合金在室温下的显微素体的质量分数为25%;另一种合金在室温下的显微组织中珠光体的质量分数为92%,二次渗碳体的质量分数为8%。

用杠杆定律求出这两种合金的含碳量,并指出它们组织分类的名称。

由组织%
2.1)(=c W 由组织分类可知其为亚共析钢。

由其显微组织可知,第二种合金为0218.077.0(−W 0218
.0)−=c P 58
.00218.0)0218.077.0()(==×P W c 24
.177.0)77.069.6()(3−+=+−×=C Fe W c
12、
画出的铁碳合金从液态缓冷到室温时的冷却曲线及组织转变示意图,并利用杠杠定律计算室温下组织组成物及相组成物的质量分数。

冷却曲线及组织转变示意图如右图所示。

组织组成物的质量分数:
相组成物的质量分数为:
%1882.01)(%820218
.069.62.169.6)(3=−=≈−−=
C Fe W F W %3.4)(=c W )
(31148d E C c L C Fe L +⎯⎯→⎯°γ%
11.2)(=c W %77.0)(c W %
0218.0)(==c W C
Fe P S 3+⎯⎯→⎯αγ恒温下,由的奥氏体转变为的奥氏体和渗碳体组成的混合物。

其反应式为:
成分上的界限是多少?碳钢按室温下的组织如何分类?写出各类碳钢的室13、 简述相图中共晶转变与共析转变,写出转变式,标出反应温度及反应前后各相的含碳量。

C Fe -Fe 3共晶转变:
铁碳合金相图中的共晶转变是在1148℃的恒温下,由的液相转变为的奥氏体和渗碳体组成的混合物。

其反应式为:
共析转变:
铁碳合金相图中的共晶转变是在1148℃的C 727°14、 钢与白口铸铁在温平衡组织。

成分上的界限是 2.11%。

含碳量大于 2.11%的为铸铁,小于 2.11%而大于0.02铁索体+球光体;
3,过共析钢:含碳量0.77%~2.11%,室温组织为珠光体+二次渗碳体。

15、 说明含碳量对钢的力学性能的影响。

钢与白口铸铁在18%的为钢。

1,亚共析钢:含碳量为(0.0218%~0.77%,室温组织为2,共析钢: 含碳量为0.77%,室温组织为珠光体:
由上图可以看出:
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数,随碳含量的增加,合金的硬度呈直线关系增大。

强度对组织形态很敏感。

随碳含量的增加,亚共析钢中P增多而F减少。

P的强度比较高,所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。

到约Wc=0.9%时,Fe3C Ⅱ沿晶界形成完整的网状结构,强度迅速降低。

合金的塑性变形全部由F提供。

所以随碳含量的增大,F量不断减少时,合金
的塑性连续下降。

复习思考题(第三章)
1、 何谓钢的热处理?钢的热处理操作有哪些类型?试说明热处理同其他工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用?
⑴ 钢的热处理是指钢在固态下进行加热、保温和冷却,改变内部组织结构,从而获得所需性
能的一种工艺方法。

⑵ 钢的热处理根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热方式分为普通热处理、表面热处理
和化学热处理。

在普通热处理中的根据工艺特点又可以分为退火、正火、淬火和回火四种不同的操作方式。

表面热处理可分为表面淬火和气相沉积。

化学热处理根据添加的化学元素不同又可分为渗碳、渗氮和碳氮共渗三种方式。

⑶ 根据热处理工艺在零件生产的工艺流程中的位置和作用不同又可以分为最终热处理和预备
热处理两大类。

预备热处理是为了达到工件最终热处理的要求而获得需要的预备组织或改善工艺性能所进行的预先处理。

最终热处理是指在工艺流程中,工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后,再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。

由此可见,热处理与其他工艺流程的关系是并列的,都是为了得到满足使用性能而采取的工艺手段。

⑷ 热处理是通过改变金属材料的组织和性能来满足工程中对材料的使用性能和加工要求的。

它与其他机械加工方法不同。

所以选择正确和先进的热处理工艺对于挖掘材料的性能潜力、改善零件使用性能、提高产品质量、延长零件的使用寿命、节约材料具有重要意义。

同时对改善零件毛坯的工艺性能以利于冷热加工的进行起着重要作用。

因此热处理被广泛地应用在机械、冶金、交通、能源、航天航空、兵工、建筑、轻纺、化工、电子等行业中。

2、 试述加热时共析钢奥氏体形成的几个阶段,分析亚共析钢和过共析钢奥氏体形成的特点?
⑴ 共析钢室温时为珠光体(F+Fe3C),当加热到Ac1以上时,珠光体转变为奥氏体。

其过程如
下:
奥氏体晶核形成:首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核,因为相界面的原子排列紊乱,晶体缺陷较多,易于形核;
奥氏体晶核长大:通过原子扩散,使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格。

残余渗碳体的溶解:铁素体先消失,渗碳体继续向奥氏体溶解完;
奥氏体均匀化:残余渗碳体溶解完后,碳的浓度并不均匀,在原来渗碳体的地方碳含量高,铁素体处低,保温一定时间,碳原子扩散,得到均匀的奥氏体组织。

⑵ 亚共析钢室温平衡组织为铁素体+珠光体,。

当加热到Ac1时,珠光体转变为奥氏体,进一
步提高加热温度和延长保温时间,过剩的铁素体逐渐转变为奥氏体;当加热温度高于Ac3时,铁素体完全消失,全部组织为细小的奥氏体晶粒。

⑶ 过共析钢室温平衡组织为渗碳体+珠光体,。

当加热到Ac1时,珠光体转变为奥氏体,进一
步提高加热温度和延长保温时间,过剩的渗碳体逐渐转变为奥氏体;当加热温度高于Acm时,渗碳体完全消失,全部组织为奥氏体晶粒。

但此时奥氏体晶粒已粗化。

3、 说明共析钢C 曲线各个区、各条线的物理意义,在曲线上标注出各类转化产物的组织名称及其符的主要因素。

号和性能,指出影响
C 曲线形状和位置Fe Fe ⑴ 两条C 形曲线中,左边的一条及Ms 线是过冷奥氏体转
变开始线,右边的一条及Mf 线是过冷奥氏体转变终了线。

A1线、
Ms 线、转变开始线及纵坐标所包围的区域为过冷奥氏体区,转变
终了线以右及Mf 线以下为转变产物区,转变开始线与终了线之
间及Ms 线与Mf 线之间为转变区。

⑵ 转化产物的组织名称及其符号和性能见左图。

⑶ 影响C 曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条
件。

⒈ 含碳量的影响 共析钢的过冷舆氏体最稳定,C 曲线最靠
右。

由共析钢成分开始,含碳量增加或减少都使C 曲线左栘,而
Ms 与Mf 点则随含碳量增加而下降。

⒉ 合金元素的影响 除Co 以外,凡溶入奥氏体的合金元素
都使C 曲线右栘:除Co 和Al 以外,所有合金元素部使Ms 与Mf
下降。

碳化物形成元素含量较多时,还会使C 曲线的形状发生变
化。

⒊ 奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长,可使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、末溶碳化物减少,增加了过冷奥氏体的稳定性,使C 曲线右移。

因此在使用C 曲线时必须注意奥氏体化条件和晶粒度的影响。

4、 什么是马氏体转变临界冷却速度?它对钢的淬火有何意义?它的大小受哪些因素影响?它与钢的淬透性有何关系?
⑴ 马氏体转变临界冷却速度Vk 是指获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。

⑵的 Vk 值越小,表明钢在淬火冷却时越容易获得马氏体组织,即钢接受淬火能力越大,钢的淬火工艺性能越好。

对热处理工艺具有十分重要的意义。

k
V ⑶ ?
⑷ 钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度。

Vk 值越小,过冷奥氏体越稳定,钢的淬透性越好。

5、 试比较共析钢过冷奥氏体等温转变图C 和连续转变图CCT 的异同点。

① 共析钢CCT 曲线在其C 曲线的右下方。

这表明若过冷奥氏体连续转变产物与等温冷却的产物基本相同,但连续转变的开始和终了的温度要低一些,孕育期液较长。

② CCT 曲线只有C 曲线的上半部分。

表明共析钢连续冷却时只有珠光体、马氏体转变而不发生贝氏体转变。

③ 在连续冷却过程中,过冷奥氏体的转变是在一个温度区间进行的,随着冷却温度的增大,转变温度区间逐渐移向低温,而转变时间则缩短。

④ 因为过冷奥氏体的连续冷却转变是在一个温度区间内进行的,在统一冷却速度下,因转变温度高于转变终了温度,使先转变的组织的晶粒粗,后转变的自治晶粒细,而且可能经过几个转变温度区,先后产生几种不同组织,而获得几种组织的混合产物。

6、 试述马氏体转变特点,定性说明两种主要类型马氏体的组织形态和性能差异。

⑴ 马氏体转变特点
① 转变的非扩散性 马氏体转变是在极大的过冷度下进行的,转变时只发生→−γ−α
的晶格改组,而奥氏体中的铁、碳原子都不能进行扩散,所以是无扩散型转变。

② 转变速度极快 马氏体转变一般不需要孕育期,马氏体量的增加不是靠已形成的马氏体片的不断长大,而是靠新的马氏体片的不断形成。

③ 转变的非等温性 当过冷奥氏体以大于Vk 冷速过冷到Ms 线时,就开始奥氏体向马氏体的转变,随着温度的降低,马氏体的量上升,当温度下降到Mf 时,奥氏体向马氏体的转变结束。

如在Ms-Mf 之间等温,马氏体量的增加并不明显,所以只有在Ms、Mf 之间持续降温时,马氏体才继续形成。

④ 转变的不彻底性 由于奥氏体中的Wc>0.5%时,马氏体已低于室温,所以淬火到此温度时必然有一些奥氏体残留下来,称为残留奥氏体。

随奥氏体中碳的质量分数上升,Ms、Mf 的下降,残留奥氏体的量增加。

而且在保证马氏体转变的条件下,即使将奥氏体过冷到Mf 以下,仍不能得到100%的马氏体,总有少量的残留奥氏体,这就是马氏体转变的不彻底性。

⑵ 马氏体的组织形态和性能差异
马氏体的组织形态有两种类型,即板条马氏体和片状马氏体。

一般当时钢中马氏体的形态几乎全为成板条状的马氏体。

当马氏体呈片状或针叶状。

板条马氏体相对于片状马氏体的强度、硬度较低,但塑性、韧性较片状马氏体较好。

板条马氏体的综合机械性能较高。

因此在生产上利用低碳(板条)马氏体的优点,利用低碳钢淬火和低温回火工艺而获得性能优良的回火马氏体,使工件具有良好的综合机械性能。

%2.0<c W %0.1>c W 7、 某钢的等温转变曲线如图所示(见教材),试说明该钢在300℃经不同时间等温后,按1、2、3线冷却后得到的组织。

线1:马氏体+残余奥氏体;
线2:马氏体+贝氏体+残余奥氏体
线3:贝氏体
8、 某钢的连续冷却曲线如图所示(见教材),试指出该钢按图中1、2、3、4速度冷却后得到的室温组织。

线1:马氏体+残余奥氏体
线2:贝氏体+马氏体+残余奥氏体
线3:珠光体+贝氏体+马氏体
线4:铁素体+珠光体
9、 正火和退火的主要区别是什么?生产中应如何选择正火和退火?下列情况下应该用退火还是正火?简述原因、
① 20钢齿轮锻件 ② 45钢小轴轧制毛坯 ③ 45钢钳口铁锻件 ④ T12钢锉刀锻件
⑴ 主要区别 正火和退火的主要区别是正火的冷却速度稍快,所以正火组织比退火的细,硬度和强度有所提高,同时正火的生产周期较退火短、节约能源、且操作简单。

⑵ 如何选择正火和退火 由于正火与退火在某种程度上有相似之处,实际生产中有时可以相互替代,因此选用时可以从以下三个方面加以考虑:
① 切削加工性 作为预备热处理,低碳钢正火优于退火,而高碳钢正火后硬度太高,必须采用退火。

② 使用性能 对于亚共析钢,正火比退火具有较好的力学性能。

但当零件形状复杂时,由于正火冷却速度较快,有开裂的危险,则宜采用退火。

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