《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷_百度文库
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《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷
《​材​料​科​学​基​础​》​课​件​之​第​四​章
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位错的运动
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关于位错的理论与思考
导读：关于位错的理论与思考，有了比较成熟的理论和大量的实验研究成果，迈克尔?波拉尼（MichaelPolanyi）和G.I.泰勒（G.I.Taylo，解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题，位错理论认为，关于位错的理论与思考任新凯1，什么是位错位错是晶体中最为常见的缺陷之一，它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响，很早就被人们关注和研究，有了比较成熟的理论和大量的实验研究成果关于位错的理论与思考 任新凯1，什么是位错位错是晶体中最为常见的缺陷之一，它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响，很早就被人们关注和研究，有了比较成熟的理论和大量的实验研究成果。晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行间相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形成的缺陷称位错。位错是原子的一种特殊组态，是一种具有特殊结构的晶格缺陷，因为它在一个方向上尺寸较长，所以被称为线状缺陷。位错的假说是在30年代为了解释金属的塑性变形而提出来的，50年代得到证实。位错的存在对晶体的生长、相变、扩散、形变、断裂、以及其他许多物理化学性质都有重要影响，了解位错的结构及性质，对研究和了解金属尤为重要，对了解陶瓷等多晶体中晶界的性质和烧结机理，也是不可缺少的。最初为解释晶体的塑性变形而提出的一种原子排列缺陷模型．晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称为＂位错＂，又可称为差排。它是一种＂线缺陷＂．基本型式有两种：滑移方向与位错线垂直的称为＂刃型位错＂；滑移方向与位错线平行的称为＂螺型位错＂．位错的存在已经为电子显微镜等观察所证实．实际晶体在生长，变形等过程中都会产生位错．它对晶体的塑性变形，相变，扩散，强度等都有很大影响．刃型位错设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错。位错线的上部邻近范围受到压应力，而下部邻近范围受到拉应力，离位错线较远处原子排列正常。通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错，用符号“┴”表示，反之为负刃型位错，用“┬”表示。当然这种规定都是相对的。 螺型位错又称螺旋位错。一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。围绕位错线原子的位移矢量称为滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，对于螺型位错，位错线平行于伯格斯矢量。 刃型位错与螺型位错的区别（1）刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺型位错无；（2）刃型位错必须与滑移方向垂直，也垂直与滑移矢量；而螺型位错线与滑移矢量平行，且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。（3）刃型位错的滑移线不一定是直线，可以是折线或曲线；而螺位错的滑移线一定是直线。（4）刃位错的滑移面只有一个，其不能在其他面上进行滑移；而螺位错的滑移面不是唯一的。
（5）刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变；而螺位错只有切应变而无正应变混合位错如前所述，刃位错的伯氏矢量垂直于位错线的方向，螺位错的伯氏矢量平行于其位错线方向。但实际材料中位错的伯氏矢量往往既非平行又非垂直于位错线方向，这些位错兼具了刃位错和螺位错的特征，称为混合位错。2，位错的间接观测若材料中的位错线与材料表面相交（俗称位错“露头”），则交点处附近由于位错应力场的存在，其化学稳定性将低于表面的其它部分。若用酸性腐蚀剂（如氢氟酸和硝酸的混合溶液）对这样的表面进行腐蚀，则位错“露头”处的腐蚀速度将远高于其它部分，可形成一个“腐蚀坑”。再利用一些表面显微观察技术（如扫描电子显微镜、干涉显微镜等等）便可以观察到位错的“露头”位置。若施加外力令材料发生一系列微小变形，则每次变形后某一特定位错都将处于不同的位置。如果每次变形后都对材料表面进行腐蚀，则同一位错形成的一系列腐蚀坑将粗略地显示出位错运动的轨迹。进行上述观测的前提是材料表面能加工到具有足够高的光洁度，或者说足够低的粗糙度。利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）可直接观察到材料微结构中的位错。TEM观察的第一步是将金属样品加工成电子束可以穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间距规则排列的各晶面时将可能发生衍射，其衍射角、晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律（Bragg's law）。而在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度。用TEM观察位错时，放大倍数一般选在5万到30万倍之间，这远未达到TEM放大倍数的极限。部分TEM还配有对试样进行在观察中原位加热/变形的装置，可以直接对位错的运动进行实时观察。场离子显微镜（Field ion microscopy，简称FIM）和原子探针（atom probe）技术提供了放大倍数更高（一般在300万倍以上）的观测方法，可在原子尺度对材料表面的位错进行直接观测。3，位错的增殖与滑移位错源材料中的位错密度会随着塑性形变的进行而增加，材料内部存在着位错的起源与增殖的机制，这些机制在外加应力的作用下将被激活，以提供增加的位错数。人们已发现材料中存在以下三种位错的起源（成核）机制：均匀成核、晶界成核和界面成核，其中最后一种包括各种沉淀相、分散相或增强纤维等等。位错的增殖机制主要也有三种机制：弗兰克-里德位错源（Frank-Read source）机制、双交滑移增殖机制，和攀移增殖机制。位错的滑移与晶体塑性在1930年代以前，材料塑性力学行为的微观机理一直是严重困扰材料科学家重大难题。1926年，苏联物理学家雅科夫?弗仑克尔（Jacov Frenkel）从理想完整晶体模型出发，假定材料发生塑性切变时，微观上对应着切变面两侧的两个最密排晶面（即相邻间距最大的晶面）发生整体同步滑移。1934年，埃贡?欧罗万（Egon Orowan），迈克尔?波拉尼（Michael Polanyi）和 G.I. 泰勒（G. I. Taylor）三位科学家几乎同时提出了塑性变形的位错机制理论，解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题。位错理论认为，之所以存在上述矛盾，是因为晶体的切变在微观上并非一侧相对于另一侧的整体刚性滑移，而是通过位错的运动来实现的。一个位错从材料内部运动到了材料表面，就相当于其位错线扫过的区域整体沿着该位错伯格斯矢量方向滑移了一个单位距离（相邻两晶面间的距离）。这样，随着位错不断地从材料内部发生并运动到表面，就可以提供连续塑性形变所需的晶面间滑移了。与整体滑移所需的打断一个晶面上所有原子与相邻晶面原子的键合相比，位错滑移仅需打断位错线附近少数原子的键合，因此所需的外加剪应力将大大降低。在对材料进行“冷加工”（一般指在绝对温度低于0.3 Tm下对材料进行的机械加工，Tm 为材料熔点的绝对温度）时，其内部的位错密度会因为位错的萌生与增殖机制的激活而升高。随着不同滑移系位错的启动以及位错密度的增大，位错之间的相互交截的情况亦将增加，这将显著提高滑移的阻力，在力学行为上表现为材料“越变形越硬”的现象，该现象称为加工硬化（work hardening）或应变硬化（strain hardening）。缠结的位错常能在塑性形变初始发生时的材料中找到，缠结区边界往往比较模糊；在发生动态回复（recovery）过程后，不同的位错缠结区将分别演化成一个个独立的胞状结构，相邻胞状结构间一般有小于15°的晶体学取向差（小角晶界）。由于位错的积累和相互阻挡所造成的应变硬化可以通过适当的热处理方法来消除，这种方法称为退火。退火过程中金属内部发生的回复或再结晶等过程可以消除材料的内应力，甚至完全恢复材料变形前的性能。 刃位错的攀移位错可以在包含了其伯格斯矢量和位错线的平面内滑移。螺位错的伯氏矢量平行于位错线，因此它可以在位错线所在的任何平面内滑移。而刃位错的伯氏矢量垂直于位错线，所以它只有一个滑移面。但刃位错还有一种在垂直于其滑移面方向上的运动方式，这就是攀移，即构成刃位错的多余半原子面的伸长或缩短。攀移的驱动力来自于晶格中空位的运动。若一个空位移到了刃位错滑移面上与位错线相邻的位置上，则位错核心处的原子将有可能“跃迁”到空位处，造成半原子面（位错核心）向上移动一个原子间距，这一刃位错“吸收”空位的过程称为正攀移。若反之，有原子填充到半原子面下方，造成位错核心向下移动一个原子间距，则称为负攀移。由于正攀移导致了多余半原子面的退缩，所以将使晶体在垂直半原子面方向收缩；反之，负攀移将使晶体在垂直半原子面方向膨胀。因此，在垂直半原子面方向施加的压应力会促使正攀移的发生，反之拉应力则会促使负攀移的发生。这是攀移与滑移在力学影响上的主要差别，因为滑移是由剪应力而非正应力促成的。位错的滑移与攀移另一处差异在于温度相关性。温度的升高能大大增加位错攀移的概率。相比而言，温度对滑移的影响则要小得多。4，位错对金属材料性能的影响首先，金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较小，则材料强度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。因此，要想增加材料的强度就要通过诸如：细化晶粒（晶粒越细小晶界就越多，晶界对位错的运动具有很强的阻碍作用）、有序化合金、第二相强化、固溶强化等手段使金属的强度增加。以上增加金属强度的根本原理就是想办法阻碍位错的运动。 包含总结汇报、表格模板、高中教育、高等教育、出国留学、IT计算机、经管营销以及关于位错的理论与思考等内容。
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《晶体缺陷及固态相变》复习资料第一部分：晶体缺陷晶体缺陷：晶体中原子排列的不规则性及不完整性。晶体缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。一、点缺陷定义：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷，称为点缺陷或零维缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷）。1．点缺陷的类型：空位、间隙原子、异类原子。?空位???自扩散?2．点缺陷与扩散的关系：? ?异类原子???弥扩散?3．点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在，使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小，使离子晶体的导电性改善。过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。4．获得过饱和点缺陷的方法：辐照、高温淬火和冷变形加工。二、线缺陷1．定义：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷，如各类位错。位错：位错是晶体排列的一种特殊组态，晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生了某种有规律的错排现象；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。2．位错的三种基本类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。它们与柏氏矢量的关系：刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。螺型位错：柏氏矢量与位错线平行。混合位错：柏氏矢量与位错线既不平行也不垂直，而是与位错线相交成任意角度。3．位错的运动形式或方式有哪些？位错的基本运动形式是滑移，此外，刃型位错还有攀移，螺型位错还有交滑移。滑移：位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位
错中心附近的原子沿伯氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。刃型位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移；如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。4．扭折、割阶的定义；割阶对位错运动有什么影响？一个运动的位错线，特别是在受到阻碍的情况下，有可能通过其中一部分线段（n个原子间距）首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时，称为扭折；若该曲折线段垂直于位错的滑移面时，则称为割阶。
１《晶体缺陷及固态相变》复习资料带割阶位错的运动，按割阶高度的不同，又可分为三种情况：①割阶高度只有1~2个原子间距，螺型位错可以把割阶拖着走，在割阶后面留下一排点缺陷；②割阶高度约在20nm以上，它们可以各自独立的在各自的滑移面上滑移，并以割阶为轴，在滑移面上旋转；③割阶高度介于上述两种情况之间时，位错不可能拖着割阶运动，割阶之间的位错线弯曲而在其后形成位错环。5．单位位错线所受到的滑移力、攀移力、应变能公式（只记公式结果）： 各类位错系数是多少？滑移力：有一个垂直于位错线的“力”作用在位错线上，Fd=F/dl=τb是作用在单位长度位错的力，它与外应力τ和位错的伯氏矢量b成正比，其方向总是与位错线相垂直并指向滑移面的未滑移部分;攀移力：在垂直于滑移面的方向运动，即发生攀移，此时刃型位错所受的力也称为攀移力。作用在单位长度刃型位错上的攀移力Fy的方向和位错线攀移方向一致，也垂直于位错线, Fy=Cσb;位错的应变能：位错周围点阵畸变引起弹性应力场导致晶体能量的增加，这部分能量称为位错的应变能，或位错的能量，单位长度刃型位错的应变能：，单位长度螺型位错的应变能：，混合位错的应变能：，式中，称为混合位错的角GbRmesEe?Ee?Ee?ln4?Kr0度因素，K≈1～0.75，螺型位错的K=1;刃型位错K= 1Cν，而对于混合位错，则。6．单位位错与不全位错的基本概念： Ee?Gb2lnRe1??4?1??? r0K?
单位位错：把柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错。1??cos?
不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量或其整数倍的位错。7．层错与不全位错的关系：不全位错出现于层错区和完整晶体的交界处。肖克莱不全位错的滑移可引起层错面得扩大或缩小。弗兰克不全位错的柏氏矢量与层错面垂直。1) 不全位错的四周不完全是完整的结构，有一部分有层错；2) 不全位错的柏氏回路必须从层错开始，回路最后还要穿过层错；3) 不全位错的柏氏矢量不是完整的最短点阵矢量；4) 不全位错的矢量也有守恒性。8．扩散与位错：1）如果扩散元素沿位错管道迁移，所需要的激活能较小，所以扩散速率较高。2）在高温下，位错对晶体的总扩散的贡献并不大，只有在较低温度下才能显示出其重要性。3）冷变形会增加金属材料的界面和位错密度，也会加速扩散过程的进行。9．第二相粒子与位错的关系：绕过机制，切过机制绕过机制：当运动位错与不可变形粒子相遇时，将受到粒子阻挡，使位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续移动，通常称为奥罗万机制。
２ K?1??1??cos?E《晶体缺陷及固态相变》复习资料切过机制：当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形；短程交互作用和长程交互作用。10．汤普森四面体（点、线、面）
如果以 α，β，γ，δ 分别代表与 A ，B ，C ，D 点相对面的中心，把4个面以三角形 ABC 为底展开，得图 3.40(c) 。由图中可见:(1) 四面体的4个面即为4个可能的滑移面:面。(2) 四面体的6个棱边代表12个晶向，即为面心立方晶体中全位错 12 个可能的柏氏矢量。(3) 每个面的顶点与其中心的连线代表24个型的滑移矢量，它们相当于面心立方晶体中可能的 24 个肖克莱不全位错的柏氏矢量。(4）4个顶点到它所对的三角形中点的连线代表8个型的滑移矢最，它3111们相当于面心立方晶体中可能有的8个弗兰克不全位错的柏氏矢量。(5) 4个面中心相连即αβ，αγ，αδ，βγ，βδ，γδ为错的一种。11．罗麦-柯索尔位错（位错方向）罗麦位错
：柯垂尔位错：在（111）面上：
，即位错方向[110] 6110是压杆位6112在面上
，即位错方向[110]３《晶体缺陷及固态相变》复习资料两扩展位错在各自的滑移面上相向移动，当每个扩展位错中的一个不全位错达到滑移面的交截线时，就会通过位错反应生成新的先导位错（亦为不全位错），这个新位错是纯刃型的，其伯氏矢量位于（001）面上，其滑移面是（001），但fcc的滑移面应是{111}，因此，这个位错是固定位错，又称压杆位错，这种形成于两个{111}面之间的面角上，由三个不全位错和两片层错所构成的位错组态称为“Lomer-Cottrell位错&，也称为面角位错。12．位错增殖的5种机制：1）F-R位错源增殖机制2）双交滑移位错增殖机制3）单边F-R位错源增殖机制4）刃型位错线部分攀移增殖机制、5）空位片塌陷增殖机制。13．位错密度与强度关系（图）
1）由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。原因是缺陷破坏了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。2）随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。原因是位错交割缠结，使位错运动的阻力增加，强度增加。由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。三、面缺陷1．面缺陷基本概念与类型，对性能的影响基本概念：面缺陷，其特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称为二维缺陷。类型：外表面和内界面。外表面：固体材料与气体或液体的分界面。内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、层错和相界面等。晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。根据位向差θ的大小不同可将晶界分为两类：（1）小角度晶界――相邻晶粒的位向差小于10°晶界，亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；（2）大角度晶界――相邻晶粒的位向差大于10°晶界，多晶体中90％以上的晶界属于此类。４《晶体缺陷及固态相变》复习资料亚晶界：位向稍有差异的相邻亚晶粒间的界面。孪晶界：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为&孪晶&，此公共晶面就称孪晶面；孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。相界：具有不同结构的两相之间的分界面；相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种类型。2．晶界的位错结构（1）小角度晶界的结构：?对称倾斜晶界：晶界两侧晶体互相倾斜的结果，相邻两晶粒间的位向差θ角很小，晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成；?不对称倾斜晶界：倾斜晶界的界面绕x轴转了一角度φ，两晶粒之间的位向差仍为θ角，由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错交错排列而构成；?扭转晶界：两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个θ角所构成，由互相交叉的螺型位错网络所组成；倾斜晶界：转轴在晶界内；扭转晶界：转轴垂直于晶界。（2）大角度晶界的结构多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界；分界面由不规则的台阶组成。3．面缺陷对性能的影响1. 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。2. 晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。3. 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷，故晶界处原子的扩散速度比在晶内快的多。4. 相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核。5. 由于成分偏析和内附现象，故在加热过程中，会出现“过热”现象。6. 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，故晶界的腐蚀速度较快。第二部分 固态相变1．固态相变的特点：（1）固态相变阻力大（2）新相-母相界面上原子的排列易保持一定的匹配（3）新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系（4）为了维持共格，新相往往在母相的一定晶面上开始形成。（5）母相中晶体缺陷对新相形核起促进作用（6）易出现过渡相2．固态相变类型：不同分类方式、不同类型（1）按热力学分类 ：一级相变和二级相变一级相变：是指相变时新 、旧两相的化学位相等，但化学位的一级偏微商不等的相变，用数学表达式可写成：、、，已知，所以，在一级相变发生时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变；
５ ???????T????????????T?P????????????????P????????????T??P????《晶体缺陷及固态相变》复习资料二级相变，是指相变时新、旧两相化学位相等，一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的相变，
，已知；；，相变时， ；
，即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有热容Cp、压缩系数K和热膨胀系数?的不连续变化。（2）按原子迁移情况或相变中形核长大特点分类：分为扩散型相变和无扩散型相变两大类。a）扩散型相变的特点是在相变过程中原子进行扩散，如纯金属的同素异构转变、固溶体中的多形性转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解和有序化转变等。
b）无扩散相变有：在低温进行的纯金属( 如锆、钛、锂、钴)同素异构转变，一些合金(如Fe-C、Fe-Ni、Cu-Al等等)中的马氏体转变。（3）按相变后能否获得平衡组织分类：平衡相变和不平衡相变。3．沉淀、调幅分解的基本概念：沉淀：从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质原子富集的亚稳区等过渡相的过程称为沉淀，或称脱溶。沉淀类型 ：沉淀形式可分为连续沉淀和不连续沉淀两类。连续沉淀又分为均匀沉淀和局部沉淀，而不连续沉淀则总是局部沉淀。调幅分解：又称增幅分解或拐点分解，指过饱和固熔体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程，其特点是调幅分解时不需要形核过程和调幅分解的速度很快。4．时效过程：（Al-4.5%Cu合金）a过饱和固溶体→GP(1)区→GP(2)区(θ'')→中间相θ'→稳定相θ。5．马氏体相变特点：（1）马氏体相变具有无扩散性（2）马氏体转变时表面出现浮凸现象，即马氏体转变是共格切变式转变（3）马氏体往往沿奥氏体的一定晶面形成（4）马氏体转变前后，新相与母相之间有一定的晶体学位相关系（5）马氏体高速长大（6）马氏体转变是在Ms～Mf温度范围内的连续降温中形成（7）马氏体转变不完全，存在残余奥氏体６
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