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文檔簡介
1、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)第一章 化工設(shè)備材料及其選擇第二講3. 硬度定義:材料抵抗其它更硬物壓入表面的能力l常用的硬度測量方法都是用一定的載荷(壓力)把一定的壓頭壓入金屬表面,然后測定壓痕的面積或深度。當(dāng)壓頭和壓力一定時(shí),壓痕面積愈大或愈深,硬度就愈低。o根據(jù)壓頭和壓力的不同,常用的硬度指標(biāo)可分為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。3.1 布氏硬度HB(始于1900年,歷史悠久)o試驗(yàn)中,如果材料布氏硬度小于450,采用鋼球壓頭,用HBS表示;如果材料布氏硬度大于450且小于650,則采用硬質(zhì)合金球壓頭,布氏硬度用HBW表示。如果硬度大于650 HBW,測量結(jié)果不準(zhǔn)確,需改用洛氏硬度。222dDDDPHBo
2、布氏硬度的特點(diǎn) 因?yàn)槠鋲汉勖娣e大,能反映材料的綜合性能指標(biāo),因而代表性全面; 試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定; 比較準(zhǔn)確,用途很廣; 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以從小達(dá)到統(tǒng)一起來(用大球與小球測得的數(shù)據(jù)具有可比性)。o優(yōu)點(diǎn)o缺點(diǎn) 鋼球本身變形問題; 因壓痕大,可能使薄件材料受到破壞,因此不宜用于薄件試驗(yàn)。o硬度不是一個(gè)單純的物理量,而是反映材料彈性、強(qiáng)度、塑性和韌性等的一個(gè)綜合性能指標(biāo)。o一般來說,硬度高強(qiáng)度也高,耐磨性較好。大部分金屬硬度與強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系,因而可用硬度近似地估計(jì)拉伸強(qiáng)度:l對于碳鋼:當(dāng)HBS小于等于140時(shí),l對于碳鋼及低合金鋼,3.683.76;450bHBSHBS:p當(dāng)1403.403.51bHBS
3、:w650HBp當(dāng)4503.364.08wbHB:3.2 洛氏硬度HR (始于1919年) 優(yōu)點(diǎn): 缺點(diǎn):不同硬度級測得的硬度數(shù)據(jù)不能從小到大統(tǒng)一起來。不存在壓頭變形問題(兩種壓頭適用于不同的材料);壓痕小,不傷工件表面;操作迅速,效率高。壓頭分為兩種:硬質(zhì)壓頭:頂角為硬質(zhì)壓頭:頂角為120o的金剛石圓錐體,適用于鋼材;的金剛石圓錐體,適用于鋼材;軟質(zhì)壓頭:直徑為軟質(zhì)壓頭:直徑為1.5875mm、3.175mm的鋼球,適用于有色金屬。的鋼球,適用于有色金屬。3.3 維氏硬度HV (始于1925年))原理類似于布氏硬度,而壓頭為錐面夾角為136o的四方角錐體,由金剛石制成;) 優(yōu)點(diǎn):因?yàn)樗姆浇清F
4、壓頭,當(dāng)負(fù)荷改變時(shí),壓入角不變,因此負(fù)荷可以任意選擇(最大優(yōu)點(diǎn));通過維氏硬度試驗(yàn)得到的硬度值和通過布氏硬度試驗(yàn)得到的硬度值完全相等;試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以從小到大統(tǒng)一起來;精度極高。) 缺點(diǎn):效率較低。效率較低。22854. 1mmkgfdPHV其中:d為壓痕對角線長度4. 韌性定義:表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能 量的能力,也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。承受承受動(dòng)動(dòng)載荷時(shí)抗裂紋的能力載荷時(shí)抗裂紋的能力 沖擊韌性沖擊韌性承承受受靜靜載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力 缺口敏感性缺口敏感性4.1 沖擊韌性圖1-1沖擊試樣的安放1-擺錘2-試樣3-機(jī)座圖1-2 沖擊試驗(yàn)原理1-擺錘2-試樣k2
5、1HHGAkFAkk缺口形狀o試樣的缺口應(yīng)背向擺錘刀口;o缺口形狀:梅氏、夏氏;韌性是材料在外加動(dòng)載荷突然襲擊時(shí)的及時(shí)和迅速塑性變形的能力;韌性高,塑性較好;但塑性好,韌性不一定高。韌性高的材料,塑性好;塑性較高的材料,韌性也好。問題問題判斷正誤并說出理由判斷正誤并說出理由 注意!注意!韌性是材料在外加動(dòng)載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料,一般都有較高的塑性指標(biāo);但塑性較高的材料,卻不一定都有高的韌性。其所以如此,就是因?yàn)殪o載菏下能夠緩慢塑性變形的材料在動(dòng)載荷下不一定能迅速塑性變形。 4.2 缺口敏感性o定義:指在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下,并且在靜載荷作用條件下,抵
6、抗裂紋擴(kuò)展的能力。物理學(xué)性能p相對密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。tll 11 1、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)熱膨脹性不同鋼種的焊接,要考慮到它們的線膨脹系數(shù)是否接近,以避免因膨脹量不等而使構(gòu)件變形或損壞。有些設(shè)備的襯里及組合件,應(yīng)注意材料的線性膨脹系數(shù)要和基體材料相同或相近,以防止受熱后因膨脹量不同而松動(dòng)或破壞。2、彈性模量彈性模量E E材料在彈性范圍內(nèi),應(yīng)力和應(yīng)變成正比,即E,這個(gè)比例系數(shù)E稱為彈性模量,表示金屬材料在彈性變形階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。對不同材料,材料的彈性模量越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越?。對同一種材料,彈性模數(shù)E隨溫度的升高而越?。3.
7、泊桑比泊桑比泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比,以表示。對于各種鋼材它近乎為一個(gè)常數(shù),即0.3。 b 1b 1l l = 其中bbbbb1 lllll1 對于各種鋼材,泊桑比近乎于一個(gè)常數(shù), =0.3o耐腐蝕性耐腐蝕性 金屬和合金對周圍介質(zhì),如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。 o2、抗氧化性、抗氧化性 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多高溫化工設(shè)備,在高溫工作條件下,不僅有自由氧的氧化腐蝕過程,還有其他氣體介質(zhì)如水蒸氣,CO2、SO2等的氧化腐蝕作用,因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的含量對鋼的氧化是有一定影響的?;瘜W(xué)性能金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、
8、可鍛性、可焊性、切削加工性、熱處理性能等直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法,也是選擇材料時(shí)必須考慮的因素。良好的冷加工性能(冷卷、冷沖壓、冷鍛、冷擠壓及機(jī)械切削)良好的熱加工性能(熱卷、熱沖壓、鑄造、熱鍛、焊接及熱處理)加工工藝性能金屬材料的分類及牌號金屬材料的分類及牌號一、分類一、分類1、金屬的分類、金屬的分類鑄造生鐵鑄造生鐵金屬金屬黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬生鐵生鐵鋼鋼煉鋼生鐵煉鋼生鐵合金生鐵合金生鐵銅及其合金銅及其合金輕金屬及其合金輕金屬及其合金其它有色及其合金其它有色及其合金純銅(紫銅)純銅(紫銅)銅鋅合金(黃銅)銅鋅合金(黃銅)銅錫合金(錫青銅)銅錫合金(錫青銅)無錫合金(
9、鋁青銅等)無錫合金(鋁青銅等)鋁及鋁合金鋁及鋁合金鈦及鈦合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鎂及鎂合金鉛、錫及其合金鉛、錫及其合金鋅及其合金鋅及其合金鎳、鈷及其合金鎳、鈷及其合金2、鋼的分類、鋼的分類二、鋼鐵牌號及表示方法二、鋼鐵牌號及表示方法(GB/T221-2000) 2.1 牌號表示方法2.2 鋼號表示方法1、碳素結(jié)構(gòu)鋼:、碳素結(jié)構(gòu)鋼:1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB700-88)代表鋼材屈服點(diǎn)的字母 屈服點(diǎn)的數(shù)值 材料質(zhì)量等級符號 脫氧方法符號,常用Q235B,Q235C,Q235AF2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB711-88)較普通碳素結(jié)構(gòu)含S、P量較少,表面質(zhì)量較好。常用10、15 、20g、20R和20等
10、。2、(低)合金(高強(qiáng)度)鋼、(低)合金(高強(qiáng)度)鋼3、特殊性能鋼、特殊性能鋼o主要指不銹耐酸鋼主要指不銹耐酸鋼鉻不銹鋼,如1Cr13鉻鎳不銹鋼,如0Cr18Ni9節(jié)鎳不銹鋼碳鋼與鑄鐵碳鋼與鑄鐵o碳鋼和鑄鐵都是由95%以上的鐵和0.05-4%的碳及1%左右的雜質(zhì)元素組成的,因此又稱為“鐵碳合金”;含碳量名稱備注0.022%鋼2%鑄鐵嚴(yán)格地講,應(yīng)2.11%4.3%鑄鐵無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值o實(shí)際上,金屬強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由金屬離子鍵能計(jì)算出來的理論強(qiáng)度,實(shí)際上,金屬強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由金屬離子鍵能計(jì)算出來的理論強(qiáng)度,為什么?為什么?o晶界處的機(jī)械性能比晶粒差,為什么?晶界處的機(jī)械性能比晶粒差,為什么?由于晶體往往存
11、在晶體缺陷;由于晶體往往存在晶體缺陷;晶界處于案子排列不整齊。晶界處于案子排列不整齊。1. 1. 鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 金屬鐵的三種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格o同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)鐵原子重同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)鐵原子重新排列的過程,也是一種結(jié)晶新排列的過程,也是一種結(jié)晶過程;過程;o居里溫度:金屬由有磁性變?yōu)榫永餃囟龋航饘儆捎写判宰優(yōu)闊o磁性的溫度。無磁性的溫度。1.3 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(1). 碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體1.4 鐵碳合金的基本組織 鐵素體:碳溶解在鐵素體:碳溶解在-Fe 中形成的固溶體。中形
12、成的固溶體。 0.006% 強(qiáng)度硬度低、韌性塑性好。強(qiáng)度硬度低、韌性塑性好。 奧氏體:碳溶解在奧氏體:碳溶解在-Fe 中形成的固溶體。中形成的固溶體。 最多最多2.06% 強(qiáng)度硬度高,韌性好,塑性低,無磁性。強(qiáng)度硬度高,韌性好,塑性低,無磁性。 只有在只有在t723 時(shí),奧氏體才存在。時(shí),奧氏體才存在。 馬氏體:鋼鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急淬下來的固溶體。馬氏體:鋼鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急淬下來的固溶體。 硬度高、但很脆,不穩(wěn)定。硬度高、但很脆,不穩(wěn)定。(2). 碳與鐵形成化合物碳與鐵形成化合物滲碳體滲碳體Fe3C 又脆又硬,熔點(diǎn)高。當(dāng)碳含量大于又脆又硬,熔點(diǎn)高。當(dāng)碳含量大于2% 時(shí),部分碳以游離時(shí),部
13、分碳以游離的形式存在于鐵碳合金中,即為鑄鐵。滲碳體在一定條件下可的形式存在于鐵碳合金中,即為鑄鐵。滲碳體在一定條件下可分解成鐵與碳,但這種游離的碳是以石墨的形式存在的,對強(qiáng)分解成鐵與碳,但這種游離的碳是以石墨的形式存在的,對強(qiáng)度影響極大。度影響極大。(3). 碳與鐵形成混合物碳與鐵形成混合物 珠光體:鐵素體珠光體:鐵素體(88%)和滲碳體和滲碳體(12%)組成,平均含碳量組成,平均含碳量為為0.8%。性能介于鐵素體與滲碳體之間。性能介于鐵素體與滲碳體之間。 萊氏體:珠光體與初次滲碳體組成。是一種較粗而硬的萊氏體:珠光體與初次滲碳體組成。是一種較粗而硬的組織。組織。1.5 鐵碳合金狀態(tài)圖(亞共析
14、鋼亞共析鋼)(過共析鋼過共析鋼)鐵的熔點(diǎn)鐵的熔點(diǎn)-Fe -Fe 共晶白口鐵共晶白口鐵含碳量(百分含量)含碳量(百分含量)1.6 1.6 碳含量對碳鋼機(jī)械性能的影響碳含量對碳鋼機(jī)械性能的影響v 對碳鋼性能有利的元素2. 2. 雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響 錳錳(Mn):弱氧化劑,有脫氧和減輕硫的有害作用; 硅硅(Si):有利于脫氧; 絕大多數(shù)金屬元素:如鈦、鉻、鎳等。v 對碳鋼性能有害的元素 硫硫(S):熱脆性; 磷磷(P):冷脆性; 氧(O):降低鋼的機(jī)械性能; 氮(N):時(shí)效現(xiàn)象,使鋼的塑性降低; 氫(H):氫腐蝕。一般而言,金屬元素的一般而言,金屬元素的存在有利,非金屬
15、元素存在有利,非金屬元素存在不利。存在不利。 退火與正火退火與正火3. 3. 鋼的熱處理鋼的熱處理6 退火退火:把工件加熱到臨界點(diǎn)以上的一定溫度,保溫一段時(shí)間,然后隨爐一起緩慢冷卻下來。6 正火正火:將加熱后的工件從爐中取出,置于空氣中冷卻。6 退火與正火:可降低硬度,提高塑性;調(diào)整組織,部分改善機(jī)械性能;使組織均勻化,消除部分內(nèi)應(yīng)力。6 正火燒出來的粒子更細(xì)。 鋼鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式。以鋼鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式。以改變其組織,滿足不同要求的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。改變其組織,滿足不同要求的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。 淬火與回火淬火與回火6 淬火淬火:將鋼加熱到
16、淬火溫度臨界點(diǎn)以上3050 ,并保溫一定時(shí)間,然后在淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝??商岣哂捕?、強(qiáng)度和耐磨性。6 回火回火:在零件淬火后再進(jìn)行一次較低溫度的加熱與冷卻處理工藝??山档突蛳慊鸷蟮膬?nèi)應(yīng)力,使組織趨于穩(wěn)定,并獲得技術(shù)上所需要的性能。4. 4. 鑄鐵鑄鐵o低合金鋼低合金鋼 如15MnTio鍋爐鋼鍋爐鋼 如20go容器鋼容器鋼 如20Ro不銹耐酸鋼:不銹耐酸鋼:如0Cr13、1Cr18Ni9o耐熱鋼耐熱鋼 如Cr25Ti、12CrMoo耐低溫鋼耐低溫鋼 如15Mn26Al4特種鋼、有色金屬、非金屬材料1. 1. 特種鋼特種鋼o鋁及其合金:其鈍化性可用來制造濃硫酸設(shè)備;o
17、銅及其合金:純銅、黃銅、青銅、紫銅;o鉛及其合金o鈦及其合金:還可用于航空與醫(yī)療2. 2. 有色金屬有色金屬o熱塑性材料與熱固性材料oPVCoPE:HDPE、LDPEoPMMAoPTFE3. 3. 非金屬材料非金屬材料o據(jù)報(bào)道,由于腐蝕每年報(bào)廢的金屬設(shè)備與材料約相當(dāng)于金屬據(jù)報(bào)道,由于腐蝕每年報(bào)廢的金屬設(shè)備與材料約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的三分之一;年產(chǎn)量的三分之一;o鋼材價(jià)格日益上揚(yáng):目前鋼材價(jià)格日益上揚(yáng):目前Q235A的價(jià)格為的價(jià)格為3700元元/噸。噸。o在化學(xué)工業(yè)中,由于設(shè)備腐蝕而造成的生產(chǎn)事故也時(shí)有發(fā)生。在化學(xué)工業(yè)中,由于設(shè)備腐蝕而造成的生產(chǎn)事故也時(shí)有發(fā)生。化工設(shè)備腐蝕與防腐1. 1. 金屬腐
18、蝕的評定方法金屬腐蝕的評定方法一般只應(yīng)用于均勻腐蝕。一般只應(yīng)用于均勻腐蝕。(1). 根據(jù)重量變化來評定金屬的腐蝕hmgtFppK210(2). 根據(jù)腐蝕深度來評定金屬的腐蝕)/(76. 8100036524ammKKKao金屬與介質(zhì)之間單純由化學(xué)變化所引起的腐蝕(無電流產(chǎn)生)。o鈍化作用o活化作用2. 2. 金屬腐蝕的分類金屬腐蝕的分類2.1 化學(xué)腐蝕2.1.1 金屬的高溫氧化及脫碳防止辦法:可添加適量的合金元素如鉻、硅、鋁等。防止辦法:可添加適量的合金元素如鉻、硅、鋁等。2.1.2 氫腐蝕 在較低的溫度和壓力下,氫氣一般對普通碳鋼不會(huì)有明顯的在較低的溫度和壓力下,氫氣一般對普通碳鋼不會(huì)有明顯
19、的腐蝕,但在高溫高壓下則能使材料的機(jī)械性能和塑性發(fā)生顯腐蝕,但在高溫高壓下則能使材料的機(jī)械性能和塑性發(fā)生顯著下降;著下降; 在合成氨工業(yè)中,就需要特別注意氫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生;在合成氨工業(yè)中,就需要特別注意氫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生; 氫腐蝕分為兩個(gè)階段:氫腐蝕分為兩個(gè)階段:氫脆階段:氫氣直接被鋼材吸附,并以原子狀態(tài)向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散,溶解在鐵素體中形成固溶體,此時(shí)并未發(fā)生化學(xué)變化,但是鋼材顯著變脆,塑性減少。 氫侵蝕階段:這時(shí)氫氣與滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)這時(shí)氫氣與滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 42332CHFeHCFe 這一化學(xué)反應(yīng)常發(fā)生在晶界處,生成的甲烷氣聚集在晶界原有的微觀孔隙中,形成局部高壓,引起應(yīng)力集中,使晶界變
20、寬,發(fā)生更大的裂紋,或在鋼材表層夾雜等缺陷中形成鼓泡,使機(jī)械性能降低。 防止辦法:防止辦法:降低鋼中的碳含量,使其沒有滲碳體的析出;添加合金元素,如鉻、鈦、鉬、鎢、釩等,形成穩(wěn)定的碳化物2.2 電化學(xué)腐蝕(電化學(xué)腐蝕:電化學(xué)腐蝕:有電流產(chǎn)生;(電化學(xué)腐蝕發(fā)生的三個(gè)必要條件電化學(xué)腐蝕發(fā)生的三個(gè)必要條件 陽極過程 陰極過程 電子流動(dòng)3. 3. 金屬腐蝕破壞的形式金屬腐蝕破壞的形式o兩種相互接觸的不同金屬浸在腐蝕兩種相互接觸的不同金屬浸在腐蝕介質(zhì)中,由于存在電位差,其中電介質(zhì)中,由于存在電位差,其中電位較低的金屬往往會(huì)受到腐蝕;位較低的金屬往往會(huì)受到腐蝕;o防止辦法:可將處于腐蝕介質(zhì)中的防止辦法:可
21、將處于腐蝕介質(zhì)中的不同金屬連接用絕緣材料隔開。不同金屬連接用絕緣材料隔開。4. 4. 幾種特殊的腐蝕形式幾種特殊的腐蝕形式(1). 電偶腐蝕電偶腐蝕(雙金屬腐蝕雙金屬腐蝕)避免電偶腐蝕的例子避免電偶腐蝕的例子o金屬在固定拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下所引起的破裂金屬在固定拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下所引起的破裂;o這里所說的拉應(yīng)力這里所說的拉應(yīng)力,其來源可以是殘余內(nèi)應(yīng)力、也可以是構(gòu)件在其來源可以是殘余內(nèi)應(yīng)力、也可以是構(gòu)件在使用過程中所承受的各種應(yīng)力;使用過程中所承受的各種應(yīng)力;o壓應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕;壓應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕;o使材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)不是一般的介質(zhì),而是特定的介質(zhì)。使材料發(fā)生應(yīng)
22、力腐蝕的介質(zhì)不是一般的介質(zhì),而是特定的介質(zhì)。(2). 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕防止應(yīng)力腐蝕的辦法:合理選材、控制應(yīng)力、減弱介質(zhì)的浸蝕性、防止應(yīng)力腐蝕的辦法:合理選材、控制應(yīng)力、減弱介質(zhì)的浸蝕性、消除殘余應(yīng)力,避免應(yīng)力集中。消除殘余應(yīng)力,避免應(yīng)力集中。o金屬部件在介質(zhì)中,如若金屬與金屬或金屬與非金屬之間存在特別小的縫隙,使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯留狀態(tài),從而引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。o幾乎所有的金屬和合金都會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕,只是對腐蝕的敏感性有所不同,不銹鋼的敏感性比碳鋼高;o幾乎所有的介質(zhì)都可能產(chǎn)生縫隙腐蝕,其中以充氣的含活性陰離子(如氯離子)的中性介質(zhì)最易發(fā)生;(3). 縫隙腐蝕縫隙腐蝕o應(yīng)盡量避免形成縫隙,采用焊接比螺栓連接好;o罐體不要直接置于多孔性基底上,應(yīng)加支架或支座;o設(shè)計(jì)的容器要能使液體能完全排凈;o避免銳角和靜滯區(qū)。o法蘭連接墊片盡可能是不吸水的,如聚四氟乙烯材料。防止縫隙腐蝕的方法防止縫隙腐蝕的方法: o在金屬表面的局部地區(qū)出現(xiàn)向深處發(fā)展的腐蝕小孔,這些小孔有的孤立存在,有些則
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