CN111254260A - 一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种分区可控感应加热‑热冲压‑淬火工艺方法，步骤为：将钢板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内，取若干导磁体片/或环，置于钢板和铜管之间，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，向感应加热器内通入高频交变电流，调控参数进行感应加热，获得差异化温度分布钢板，依据导磁体片/或环的不同选取，获得具有不同温度差异分布的高温区和低温区；将差异化温度分布钢板进行冲压‑淬火成形，获得抗拉强度不同的定制属性成型件。该方法速度快且温度控制精确，加热效率高，获得的梯度性能零件回弹小、不起皱，氧化皮少，质量好。

Description

一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法
技术领域：
本发明属于热加工技术领域，具体涉及一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法。
背景技术：
由于汽车保有量的增加，碳氧等有害气体排放增多，对空气环境造成了严重的污染，所以要解决尾气排放量问题需降低油耗，在保证汽车安全性的同时减轻车体重量可以有效地控制油耗，因此汽车轻量化是传统燃油汽车和新能源汽车发展的必经之路。汽车车身的B柱类零件是要求具有梯度性能的。梯度性能是指其上部分强度高，保证车身碰撞时不发生较大变形从而保障乘客空间；下部分强度低来吸收车体在碰撞时的较大能量。实现梯度性能冲压件的方法有很多：1)拼焊板，但普遍存在焊缝承载能力较弱的技术问题，有开焊风险；2)差厚板，该板材的板料柔性，轧制复杂；3)冲压件局部回火工艺，该工艺回火需要在热冲压工艺之后增加步骤，消耗大量时间，影响生产效率；4)分区模具控制冷却速度，但模具设计复杂。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法。可灵活调控各个高低温区的位置和大小及温度的差异度。从而使得淬火后的零件得到不同的力学属性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，实施的关键在螺线管分区可控感应加热器中进行分区感应加热实现钢板的差异化温度分布，包括步骤如下：
(1)将钢板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器；
(2)取若干导磁体，置于钢板和铜管之间，导磁体设置后，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体为导磁体片或导磁体环，当为导磁体片时，导磁体片距离钢板垂直距离为1-1.5mm，当为导磁体环时，所述的导磁体环套在铜管上，导磁体环套在铜管上以后，导磁体环外径最下缘距离钢板距离为1-1.5mm；所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，所述的交流电频率为90-110kHz，电流为120-150A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
当为导磁体环布置时：高温区加热温度为925-955℃，低温区加热温度为600-650℃；
当为导磁体片布置时：高温区加热温度为950-1000℃，低温区加热温度为750-800℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，其中：
当导磁体为导磁体环时：高温区抗拉强度为1650-1720MPa，总延伸率为10-12％；低温区抗拉强度为450-500MPa，总延伸率为36-38％；
当导磁体为导磁体片时：高温区抗拉强度为1670-1725MPa，总延伸率为6-7.5％；低温区抗拉强度为935-1000MPa，总延伸率为17.5-18.5％；
所述的步骤(1)中，钢板置于分区可控感应加热器内居中位置，所述的螺线管式分区可控感应加热器上铜管与下铜管间隙高度为14-16mm，所述的铜管排列间隙为8-12mm。
所述的步骤(1)中，钢板为高强硼钢板，具体为22MnB5钢板，厚度为2-3.5mm。
所述的步骤(2)中，导磁体片设置于钢板与上层铜管之间，或设置于钢板与下层铜管之间；所述的导磁体环套设于上层铜管或下层铜管，所述的导磁体片或导磁体环的铺设间隙与导磁体片或导磁体环宽度相同。
所述的步骤(2)中，导磁体片宽度为8-12mm，优选10mm，导磁体片厚度为4-8mm，优选4mm；厚度越大，钢板高温区温度越高，低温区温度稍低；导磁体环厚度为4-8mm，优选4mm；厚度越大，钢板高温区温度越高，低温区温度越低，二者差异越大。
所述的步骤(3)中，经高频感应加热后的板料快速被加热，由于导磁体的屏蔽作用，导磁体外轮廓正下方投影面积涵盖区域形成低温区，低温区加热温度在两相区或者低于两相区；钢板上其他位置加热温度超过900℃，从而达到奥氏体化温度，因此在钢板上形成了差异化温度分布，获得差异化温度分布钢板。
所述的步骤(4)中，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃。
所述的步骤(4)中，经过冲压-淬火成形，差异化温度分布钢板中的高温区组织转化为细小的板条状马氏体，抗拉强度高，延伸率小；低温区组织转化为铁素体+马氏体，或者铁素体+珠光体，抗拉强度低，延伸率高，塑性高；通过分区可控感应加热后获得的差异化温度分布钢板，最终冲压淬火得到了差异化强度性能分布的温度分区钢板成形件。
导磁体间隙布置对比：
当在垂直投影范围内，导磁体环无宽度间隙全铺：
高温区加热温度为980-1020℃，抗拉强度为1690-1730MPa，总延伸率为5.5-6.5％；
低温区加热温度为570-620℃，抗拉强度为430-480MPa，总延伸率为35.5-37.5％。
当在垂直投影范围内，导磁体片无宽度间隙全铺：
高温区加热温度为1100-1200℃，抗拉强度为1550-1600MPa，总延伸率为3.5-4.5％；
低温区加热温度为780-850℃，抗拉强度为950-1050MPa，总延伸率为16.5-17.5％。
导磁体与钢板间隙对比：
钢板与导磁体距离严格控制在1-1.5mm，当低于1mm，低温区温度略有降低，但会出现导磁体炸裂风险；当高于1.5mm时，当导磁体间距2mm时，高温区加热温度达到900-925℃，抗拉强度1500-1600MPa，总延伸率9-10％，但是低温区加热温度只能控制在855-880℃，温度过高，低温区强度达到1200-1300MPa，总延伸率仅为13.5-14.5％；温度差异化不明显，强度和塑性差异也会明显减小，不符合设计要求。
本发明通过改变导磁体环的宽度和厚度，或改变导磁体片的长度、宽度和厚度，并结合不同的导磁体厚度与铺设间隙尺寸等参数，综合控制工件差异化温度分布。
本发明的有益效果：
本发明的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，不需额外增加热冲压工艺步骤，不改变原有成形工艺，由于采用新型感应加热方式，速度快且温度控制精确，加热效率高，能够在30s内将2mm～3.5mm的高强硼钢板加热至900℃以上，生产效率高，成本较低，能够获得梯度性能零件，加热操作瞬时完成，加热后的工件氧化皮形成得较少，成形的冲压件回弹小、不起皱，质量好。
附图说明：
图1为本发明实施例1-2的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法流程图；
图2为本发明实施例1的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构主视图；
图3为本发明实施例1的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构左视图；
图4为本发明实施例1的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构俯视图；
图5为本发明实施例1的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构立体图；
图6为本发明实施例3-4的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法流程图；
图7为本发明实施例3的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构主视图；
图8为本发明实施例3的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构左视图；
图9为本发明实施例3的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构俯视图；
图10为本发明实施例3的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法采用的螺线管式分区可控感应加热器结构立体图；
图11为实施例1-4采用的22MnB5毛坯板原始金相组织图；
图12为实施例1的22MnB5钢板经600-620℃加热淬火后获得低温区金相组织图；
图13为对比例1-1的22MnB5钢板经570-590℃加热淬火后获得低温区金相组织图；
图14为实施例4的22MnB5钢板经780-800℃加热淬火后获得低温区金相组织图，其中：
1-毛坯板，2-导磁体，3-铜管，4-陶瓷螺钉，5-钢板固定件，F-铁素体，M-马氏体，P-珠光体。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中：
螺线管式分区可控感应加热器上铜管与下铜管间隙高度为15mm，铜管排列间隙为10mm，铜管外径8mm，铜管内径5mm；
采用的导磁体材质为铁氧体，导磁体片尺寸为长×宽×厚＝70mm×10mm×4mm；导磁体环尺寸为外径为23mm，内径为15mm，宽度为10mm；
采用的原始22MnB5毛坯板尺寸为长×宽×厚＝135mm×130mm×3.5mm；经感应电流加热后获得的差异化温度分布钢板的高温区为导磁体投影面积外钢板尺寸，低温区尺寸对应导磁体投影面积，低温区长×宽＝70mm×70mm。
实施例1
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其工艺流程图如图1所示，包括步骤如下：
(1)取22MnB5毛坯板，其原始金相组织图如图11所示，将22MnB5毛坯板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内居中位置，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器，感应器结构主视图如图2所示，左视图如图3所示，俯视图如图4所示，结构立体图如图5所示；
(2)取四个导磁体2，具体为导磁体环，导磁体环套在上层铜管3，导磁体环外径最下缘距离钢板距离为1mm；
导磁体设置后，在毛坯板1表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体；导磁体环在宽度方向的铺设间隙为10mm；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，交流电频率为100-110kHz，电流为140-150A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
高温区加热温度为945-955℃，低温区加热温度为600-620℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，高温区抗拉强度为1700-1720MPa，总延伸率为10-11％；低温区抗拉强度为450-470MPa，总延伸率为37-38％；
差异化温度分布钢板中的高温区组织转化为细小的板条状马氏体，抗拉强度高，延伸率小；加热淬火后获得低温区金相组织图如图12所示，低温区组织转化为铁素体+珠光体，抗拉强度低，延伸率高，塑性高；通过分区可控感应加热后获得的差异化温度分布钢板，最终冲压淬火得到了差异化强度性能分布的温度分区钢板成形件。
对比例1-1
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其操作过程及参数同实施例1，区别在于，导磁体环铺设时，在10mm的铺设宽度内采用全套七个导磁体环，加热淬火后获得温度分区钢板，高温区加热温度为1010-1020℃，抗拉强度为1720-1730MPa，总延伸率为5.5-5.8％；低温区加热温度为570-590℃，抗拉强度为430-450MPa，总延伸率为37-37.5％；加热淬火后获得低温区金相组织图如图13所示，低温区组织转化为铁素体+珠光体。
对比例1-2
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其操作过程及参数同实施例1，区别在于，导磁体环外径最下缘距离钢板距离为2mm，加热淬火后获得温度分区钢板：高温区加热温度达到900-925℃，抗拉强度1500-1550MPa，总延伸率9-10％，但是低温区加热温度只能控制在865-880℃，温度过高，低温区强度达到1250-1300MPa，总延伸率仅为13.5-14.5％；温度差异化不明显，强度和塑性差异也会明显减小，不符合设计要求。
实施例2
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其工艺流程图如图1所示，包括步骤如下：
(1)取22MnB5毛坯板，其原始金相组织图如图11所示，将22MnB5毛坯板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内居中位置，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器；
(2)取四个导磁体环，导磁体环套在上层铜管，导磁体环外径最下缘距离钢板距离为1.5mm；
导磁体设置后，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体；导磁体环在宽度方向的铺设间隙为10mm；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，交流电频率为90-100kHz，电流为120-130A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
高温区加热温度为925-935℃，低温区加热温度为630-650℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，高温区抗拉强度为1650-1670MPa，总延伸率为11-12％；低温区抗拉强度为480-500MPa，总延伸率为36-36.5％；
差异化温度分布钢板中的高温区组织转化为细小的板条状马氏体，抗拉强度高，延伸率小；低温区组织转化为铁素体+珠光体，抗拉强度低，延伸率高，塑性高；通过分区可控感应加热后获得的差异化温度分布钢板，最终冲压淬火得到了差异化强度性能分布的温度分区钢板成形件。
对比例2
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其操作过程及参数同实施例2，区别在于，导磁体环铺设时，在10mm的铺设宽度内采用全套七个导磁体环，加热淬火后获得温度分区钢板：
高温区加热温度为980-990℃，抗拉强度为1690-1700MPa，总延伸率为6-6.5％；
低温区加热温度为600-620℃，抗拉强度为460-480MPa，总延伸率为35.5-36％。
实施例3
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其工艺流程图如图6所示，包括步骤如下：
(1)取22MnB5毛坯板，其原始金相组织图如图11所示，将22MnB5毛坯板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内居中位置，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器，感应器结构主视图如图7所示，左视图如图8所示，俯视图如图9所示，结构立体图如图10所示；
(2)取四片导磁体2，具体为导磁体片，导磁体片设置于钢板与上层铜管3之间，导磁体片通过陶瓷螺钉4固定在钢板固定件5，导磁体片距离钢板表面垂直距离为1mm；
导磁体设置后，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体；导磁体片在宽度方向的铺设间隙为10mm；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，交流电频率为100-110kHz，电流为140-150A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
高温区加热温度为990-1000℃，低温区加热温度为750-760℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，高温区抗拉强度为1715-1725MPa，总延伸率为6-6.5％；低温区抗拉强度为935-955MPa，总延伸率为18-18.5％；
差异化温度分布钢板中的高温区组织转化为细小的板条状马氏体，抗拉强度高，延伸率小；低温区组织转化为铁素体+马氏体，抗拉强度低，延伸率高，塑性高；通过分区可控感应加热后获得的差异化温度分布钢板，最终冲压淬火得到了差异化强度性能分布的温度分区钢板成形件。
对比例3
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其操作过程及参数同实施例3，区别在于，导磁体片铺设时，在10mm的铺设宽度内采用全铺七块导磁体片，加热淬火后获得温度分区钢板：
高温区加热温度为1180-1200℃，抗拉强度为1580-1600MPa，总延伸率为3.5-3.8％；
低温区加热温度为780-800℃，抗拉强度为950-970MPa，总延伸率为17-17.5％。
实施例4
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其工艺流程图如图6所示，包括步骤如下：
(1)取22MnB5毛坯板，其原始金相组织图如图11所示，将22MnB5毛坯板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内居中位置，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器；
(2)取四片导磁体片，导磁体片设置于钢板与上层铜管之间，导磁体片距离钢板表面垂直距离为1.5mm；
导磁体设置后，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体；导磁体片在宽度方向的铺设间隙为10mm；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，交流电频率为90-100kHz，电流为120-130A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
高温区加热温度为950-960℃，低温区加热温度为790-800℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，高温区抗拉强度为1670-1690MPa，总延伸率为7-7.5％；低温区抗拉强度为980-1000MPa，总延伸率为17.5-17.8％；
差异化温度分布钢板中的高温区组织转化为细小的板条状马氏体，抗拉强度高，延伸率小；加热淬火后获得低温区金相组织图如图14所示，低温区组织转化为铁素体+马氏体，抗拉强度低，延伸率高，塑性高；通过分区可控感应加热后获得的差异化温度分布钢板，最终冲压淬火得到了差异化强度性能分布的温度分区钢板成形件。
对比例4
一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺，其操作过程及参数同实施例4，区别在于，导磁体片铺设时，在10mm的铺设宽度内采用全铺七块导磁体片，加热淬火后获得温度分区钢板：
高温区加热温度为1100-1120℃，抗拉强度为1550-1570MPa，总延伸率为4-4.5％；
低温区加热温度为830-850℃，抗拉强度为1000-1050MPa，总延伸率为16.5-16.8％。

Claims (8)

1.一种分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将钢板静止放置于螺线管式分区可控感应加热器空腔内，其中，所述的螺线管式分区可控感应加热器为空心铜管矩形缠绕螺线管式感应器；
(2)取若干导磁体，置于钢板和铜管之间，导磁体设置后，在钢板表面形成导磁体外轮廓垂直投影区域，其中，所述的导磁体为导磁体片或导磁体环，当为导磁体片时，导磁体片距离钢板垂直距离为1-1.5mm，当为导磁体环时，所述的导磁体环套在铜管上，导磁体环套在铜管上以后，导磁体环外径最下缘距离钢板距离为1-1.5mm；
(3)向螺线管式分区可控感应加热器内通入高频交变电流，进行感应加热，所述的交流电频率为90-110kHz，电流为120-150A，电压为380V，加热时间为30s，获得差异化温度分布钢板，包括低温区和高温区，其中，所述的导磁体外轮廓垂直投影范围内为低温区，导磁体外轮廓垂直投影范围外为高温区；
当为导磁体环布置时：高温区加热温度为925-955℃，低温区加热温度为600-650℃；
当为导磁体片布置时：高温区加热温度为950-1000℃，低温区加热温度为750-800℃；
(4)将差异化温度分布钢板进行冲压-淬火成形，获得温度分区钢板，包括高温区和低温区，其中：
当导磁体为导磁体环时：高温区抗拉强度为1650-1720MPa，总延伸率为10-12％；低温区抗拉强度为450-500MPa，总延伸率为36-38％；
当导磁体为导磁体片时：高温区抗拉强度为1670-1725MPa，总延伸率为6-7.5％；低温区抗拉强度为935-1000MPa，总延伸率为17.5-18.5％。
2.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，钢板置于分区可控感应加热器内居中位置，所述的螺线管式分区可控感应加热器上铜管与下铜管间隙高度为14-16mm，所述的铜管排列间隙为8-12mm。
3.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，钢板为高强硼钢板，具体为22MnB5钢板，厚度为2-3.5mm。
4.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，导磁体片设置于钢板与上层铜管之间，或设置于钢板与下层铜管之间；所述的导磁体环套设于上层铜管或下层铜管，所述的导磁体片或导磁体环的铺设间隙与导磁体片或导磁体环宽度相同。
5.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，导磁体片宽度为8-12mm，导磁体片厚度为4-8mm，导磁体环厚度为4-8mm。
6.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的导磁体外轮廓垂直投影区域内，导磁体沿宽度方向间断铺设，且保证在投影区域的最边缘位置处两端均为导磁体。
7.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，冲压速度为100mm/s，保压时间10s，保压力20MPa，水冷模具温度保持在20-30℃。
8.根据权利要求1所述的分区可控感应加热-热冲压-淬火工艺方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，经过冲压-淬火成形，温度分区钢板的高温区组织为细小板条状马氏体；低温区组织为铁素体+马氏体，或者铁素体+珠光体。
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