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1、铝合金锻件常见的缺陷与对策 来源：中国铝材信息网，更新时间：2007-4-28 16:57:52，阅读： 1861次 （一）概述 铝合金是以铝为基，加入了锰、镁、铜、硅、铁、镍、锌等各种元素而形成的。它密度较小，强度适宜，因而得到了愈来愈广泛的应用。 根据成分和工艺性能不同，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金按其热处理强化能力可分为热处理不强化铝合金和热处理强化铝合金（见图5-11）。 图5-11 铝合金分类图 变形铝合金按其使用性能及工艺性能分为防锈铝合金（用LF表示 ）、硬铝合金（用LY
2、表示），超硬铝合金（用LC表示）和锻铝合金（用LD表示）。它们的主要牌号和成分见表5-10。 表5-10 变形铝合金主要牌号的化学成分及挤压棒材的力学性能 类 别 牌号 化 学 成 分（质量分数）（%） 力学 Cu Mg Mn Fe Si 其它 直径尺寸/mm 材料状态 σb /MPa δ5 （%）≥ 防 锈 铝 合 金 LF2 2.0～2.8 或Cr0.15～0.40 所有尺寸 M或R ≤226 10 LF5 4.0～5.0 0.3～0.6 V0.02～0.10 厚0.
3、5～4.5 M 270 15 LF11 LF12 4.8～5.5 8.3～9.6 0.30～0.60 0.40～0.80 Ti或 V0.02～0.15 Ti0.05～0.15 ≤200 ＞200 Sb0.004～0.05 M ＞200 直径≤150 270 M，R M或R 15 250 373 10 15 LF21 1.0～1.6 所有尺寸 M或R ≤167 20 硬 铝 合 金 LY1 2.2～3.0 0.20～0.50 线材
4、CZ M 300 160 24 24 LY4 3.2～3.7 2.1～2.6 0.50～0.80 Ti0.05～0.40 Be0.001～0.01 － － － － LY11 3.8～4.8 0.40～0.80 0.40～0.80 ＜160 ＞160 CZ 373 353 12 10 LY12 3.8～4.9 1.2～1.8 0.30～0.90 ≤22 23～160 ＞160 CZ 392 422 412 12 10 8 LY13 4.0～5.0 0
5、30～0.50 ≤22 23～160 CZ 341 343 4 4 LY16 6.0～7.0 0.40～0.80 Ti0.01～0.2 所有尺寸 CS 353 253 超 硬 铝 合 金 LC4 1.4～2.0 1.8～2.8 0.20～0.60 Zn5.0～5.7 ≤22 23～160 ＞160 CS 490 530 510 7 6 5 LC5 0.30～1.0 1.2～2.0 0.3～0.8 0.6 0.4 － －
6、 － LC6 2.2～2.8 2.5～3.2 0.2～0.5 0.5 0.3 － － － LC9 1.2～2.0 2.0～3.0 Zn5.1～6.1 同LC4 锻 铝 合 金 LD2 0.20～0.60 0.45～0.90 或Cr0.15～0.35 0.50～1.2 所有尺寸 CS 294 12 LD5 1.8～2.6 0.40～0.80 0.40～0.80 0.7～1.2 所有尺寸 CS 353 12 LD7 1.9～2.5 1.4～1.8 0.90～
7、1.5 Ti0.02～0.1 Ni0.9～1.5 所有尺寸 CS 353 8 LD8 1.9～2.5 1.4～1.8 1.0～1.6 0.5～1.2 Ni0.9～1.5 所有尺寸 CS 353 8 LD9 3.5～4.5 0.40～0.80 0.5～1.0 0.5～1.0 Ni1.8～2.3 所有尺寸 CS 353 10 LD10 3.9～4.8 0.40～0.80 0.40～1.0 0.6～1.2 ≤22 23～160 ＞160 CS 441 451 432 10
8、10 8 注：状态符号表示意义：M—退火，CZ—淬火（自然时效），CS—淬火（人工时效），R—热挤。 Cu、Mg、Zn等是铝合金中的主要强化元素。它们一方面溶解在铝中使固溶体强化；另一方面，它们在铝合金中形成大量的化合物，成为铝合金中的强化相和过剩相（见表5-11）。 表5-11 铝合金中的过剩相和强化相类型 合 金 类 别 过 剩 相 和 强 化 相 防锈铝 Al-Mn系合金 Al-Mg系合金 （MnFe）Al8，Al10Mn3Si（T相），α相（AlFeSi），FeSiAl3，MnAl6，Mg5Al8 （β）相，（AlFeSiMn）相及Mg2
9、Si 硬铝 Al-Cu-Mg系合金 CuAl2（θ相），Al2CuMg（S相），（AlFeCuMn） 超硬铝 Al-Cu-Mg-Zn系合金 MgZn2，Al2CuMg（S相），Al2Zn3Mg3（T相） 锻铝 Al–Mg-Si系合金 Al Mg Si Cu系合金 Al–Mg-Cu-Si Fe-Ni系合金 Mg2Si，少量CuAl2，少量MnAl6，Mg2Si，CuAl，少量Al2CuMg（S相）， CuAl2，Mg2Si，Al2CuMg（S相），FeNiAl6，AlNiCu，Al2Cu2Fe 铝合金中锰、铬、钛的作用主要是提高合金的再结晶温度，减弱其晶粒长大的
10、倾向性。 镍在铝合金中可以改善合金的抗腐蚀性能和提高热强性。 Fe、Si、Na、K等都属于铝合金中的杂质元素，其中主要是Fe和St。Fe在铝中的溶解度很小，在 655℃时为0.5％，在室温时仅为0.002％。Fe主要形成金属化合物FeAl3，是硬脆的针状化合物。Si在铝中的溶解度略大一些，在577℃时可溶入1.65％，在室温时为0.05％。Si除溶入铝中外，多余的则单独存在于铝中，通常称为“游离硅”。 铝合金中由于存在大量的强化相和过剩相，因此，其铸态组织中呈现多相混杂的状态。另外，在某些铝合金（例如LY12）铸态组织中还常常存在共晶混合物。这些物质通常又硬又脆
11、且呈网状分布于晶界。而且，由于铸造时的冷却条件，使这些化合物相在铸锭中形成了区域偏析，枝晶偏析和晶间偏析，此外，还有气孔、缩孔等缺陷，严重降低了铝合金铸锭的塑性。通过热塑性变形可以使铝合金铸态组织得到较大改善，性能得到较大提高。以LY11为例，经挤压变形后，形成纤维状组织，在挤压变形程度小于70％之前，随着变形程度的增加，材料纵向及横向的强度指标都不断提高。当变形程度继续增加时，纵向性能继续提高，而横向性能急剧下降，即引起了性能的异向性。 流线的分布情况对铝合金的性能有很大影响，流线不顺、涡流和穿流都使铝合金的塑性指标、疲劳强度和抗腐蚀性能有明显降低。因此，编制成形工艺时，应当使流
12、线方向与零件最大受力方向一致。 某些热处理可以强化的变形铝合金，按照一定的规范热变形之后，可以使变形强化的效果保存下来，使合金的强度提高，即所谓热形变强化效应，这是因为，按照一定的规范热变形之后，某些合金的再结晶温度高于淬火加热温度，所以热处理后的制品具有未再结晶组织。这种组织的晶粒细小，并且晶粒中形成许多亚晶块，故强度性能远远高于再结晶组织的制品。 影响铝合金再结晶温度的主要因素有：合金成分、压力加工前的均匀化规范、压力加工方式（应力状态）、变形温度、变形速度、变形程度和最终热处理制度等。图5-12是LD10合金的组织状态与变形温度和变形速度的关系。 图5-12 淬
13、火后的LD10合金的组织状态和变形温度和变形速度的关系 Ⅰ—不存在再结晶 Ⅱ—完全再结晶 Ⅲ—变形后就开始了再结晶其余为混合组合 铝合金的晶粒尺寸对力学性能有较大影响，铝合金锻件中的粗晶显著降低强度极限和屈服极限，降低零件的使用性能和寿命。因此，锻造铝合金时需注意控制晶粒度。铝合金锻件的晶粒大小与变形温度、变形程度、受剪切变形的情况以及固溶处理前的组织状态等有关。详见几种主要缺陷形成的机理和对策中的备料不当产生的缺陷及其对锻件的影响。 供锻造和模锻的铝合金原坯料，一般采用铸锭和挤庄坯料，个别情况下亦采用轧制坯料。 铸锭坯料往往具有疏松、气孔、缩孔、裂纹、成层、
14、夹渣、氧化膜和树枝状偏析等缺陷。 挤压坯料一般具有粗晶环、成层、缩尾、夹渣、氧化膜和表皮气泡等缺陷。 铝合金坯料的上述缺陷，不仅锻造时容易开裂，而且直接影响到锻件质量，所以锻前需要按标准对坯料进行检查，合格后方能投产。 铝合金的锻造特点如下： 1.塑性较低 铝合金的塑性受合金成分和锻造温度的影响较大。大多数铝合金对变形速度不十分敏感，但是随着合金中合金元素含量的增加，合金的塑性不断下降，对变形速度的敏感性逐渐增加（图5－13），由图还可以看出，当变形温度较低时，铝合金的塑性急剧下降，特别是高强度铝合金（LC4等）表现最为突出。 图5-13
15、 不同变形温度和速度对铝合金塑性的影响 —静载变形 ---动载变形 2.流动性差 铝合金质地很软，外摩擦系数较大（表5-12），所以流动性较差，模锻时难于成形。 表 5-12 铁碳合金与铝合金变形时的外摩擦系数 合 金 铁 碳 合 金（%） 铝 合 金(%) 变形速度/（m/s） ＜1 ＞1① ＜1 ＞1 变形温度/℃ （0.8～0.95）T熔② 0.40 0.35 0.50 0.48 （0.5～0.8）T熔 0.45 0.40 0.48 0.45 注：若采用润滑剂摩擦系数可降低15%～25%。 ①锤击作用
16、也适用。 ②T熔是指绝对熔化温度。 3.锻造温度范围窄 铝合金的锻造温度范围一般都在150℃以内，少数高强度铝合金的锻造温度范围甚至不到100℃，由于铝合金的锻造温度范围很窄，所以一般都采用能精确控制加热温度的带强制循环空气的箱式电阻炉或普通箱式电阻炉进行加热，温差控制在上±10℃以内。同时，为了保证适当的终锻温度，提高合金的塑性和流动性，改善合金的成形条件，用于锻造和模锻的工具或模具需要预热。 4.导热性良好 铝合金由于导热性好，加热时内应力小，且易于均匀热透，所以坯料可以直接装人接近始锻温度的高温炉膛内进行快速加热。挤压坯料在不产生锻造裂
17、纹的条件下，不必进行保温，但铸造坯料加热时需要保温。 5.始锻温度和终锻温度要严加控制 始锻温度一般取上限，这样有利于提高合金的塑性和流动性，使金属易于成形。但有些合金始锻温度太高，将引起强度下降。例如，LD10合金始锻温度高于470℃时，强度约下降24MPa；LF6合金始锻温度从360℃提高到420℃，强度约下降15MPa。终锻温度高有利于保持挤压坯料的挤压效应，能得到具有未再结晶组织和力学性能高的锻件。终锻温度过低，容易产生大晶粒，使锻件的力学性能大大降低。同时，终锻温度过低，使合金的塑性和流动性急剧下降，容易产生表面和内部裂纹。 （二）锻造过程中常见的缺陷与
18、对策 1.过烧 由于铝合金的温度范围窄，其锻造加热温度，尤其是淬火加热温度很接近合金的共晶熔化温度，容易发生过烧。所以在锻件和模具加热以及锻件淬火加热时，必须十分注意温度上限，严格遵守工艺操作规程，否则会引起锻件过烧。锻件过烧后，表面发暗、起泡，一锻就裂。在热处理时产生的过烧，也可能形成裂纹。过烧锻件的高倍组织特点是：晶界发毛、加粗，出现低熔点化合物的共晶复熔球，形成三角晶界。轻微过烧的锻件，强度稍有提高，但疲劳性能较差。严重过烧后各项性能急剧下降，使锻件成为废品。 2.裂纹 由于铝合金的塑性和流动性较差，很容易产生表面和内部裂纹。产生表面裂纹的原因与坯
19、料种类有关。用铸锭做坯料，往往由于铸锭含氢量高、有严重的疏松、氧化夹渣、粗大的柱状晶、存在有严重的内部偏析、高温均匀化处理不充分以及铸锭表面缺陷（凹坑、划痕、棱角等）都会在锻造时产生表面裂纹。另外，坯料加热不充分，保温时间不 够、锻造温度过高或过低，变形程度太大，变形速度太高、锻造过程中产生的弯曲、折叠没有及时消除，再次进行锻造，都可能产生表面裂纹。 挤压坯料表面的粗晶环、表皮气泡等，也容易在锻造时产生开裂。 铝合金锻件的内部裂纹，主要是由于坯料内部存在有粗大的氧化物夹渣和低熔点脆性化合物，变形时在拉应力或切应力的作用下产生开裂，并不断扩大。此外，锻造时多次滚圆，当每次变
20、形量较小（小于15％～20％）时，也会产生内部中心裂纹。 由于铝合金的锻造温度范围很窄，如果锻造工具和模具没有预热，或预热温度不够也会引起锻件产生裂纹。 因此，要防止产生表面和内部裂纹，必须采取如下对策： 1）选择高质量的原坯料，坯料表面的各种缺陷要彻底清除干净。例如，挤压坯料常常需要车皮。在锤上锻造不便于车皮的小棒料时，开始要轻击，打碎粗晶环，然后逐渐加重打击； 2）铸锭坯料要进行充分的高温均匀化处理，消除残余内应力和品内偏析，以提高金属塑性。锻造加热时，要保证在规定的加热温度进行加热并充分保温； 3）根据不同合金，选择最佳锻造温度范围。例如
21、LC4合金铸锭的最佳锻造温度范围为：在440℃左右加热保温，然后缓冷至410～390℃左右锻造，塑性最好； 4）铝合金由于流动性差，不宜采用变形激烈的锻造工序（如滚压），并且变形程度要适当，变形速度要越低越好； 5）锻造操作时要注意防止弯曲、压折，并要及时矫正或消除所产生的缺陷。滚圆时，压下量不能小于20％，并且滚圆的次数不能太多。 6）用于锻造和模般的工具，要充分预热，加热温度最好接近锻造温度，一般为200～420℃，以便提高金属的塑性和流动性。 3.大晶粒 锻铝（LD2、LD5、LD7、LD10、2024、2068）和硬铝（LYll、LY
22、12等）很容易产生大晶粒，它们主要分布在锻件变形程度小而尺寸较厚的部位，变形程度大和变形激烈的区域以及飞边区附近。另外，在锻件的表面也常常有一层粗晶。产生大晶粒的原因除了由于变形程度过小（落入临界变形区）或变形程度过大和变形激烈不均匀所引起之外，加热和模锻次数过多，加热温度过高（例如LD2合金淬火温度过高，保温时间过长，常常出现大晶粒），终锻温度太低也会产生大晶粒。锻件表面层的粗晶，其产生原因有两种情况：其一，是挤压坯料表层粗晶环被带人锻件；其二，是模锻时模膛表面太粗糙，模具温度较低，润滑不良，使表面接触层激烈剪切变形，因而产生粗晶。 所以，为避免铝合金锻件产生大晶粒： 1
23、必须改进模具设计，合理选择坯料，保证锻件均匀变形； 2）避免在高温下长时间加热，对LD2等容易晶粒长大的合金，淬火加热温度取下限； 3）减少模锻次数，力求一火锻成； 4）保证终锻温度； 5）提高模膛表面粗糙度达Rα0.4μm以上，采用良好的工艺润滑剂。 解决铝合金大晶粒的有效措施是采用等温模锻工艺，即将模具加热至（并保持）接近合金的实际变形温度，在液压机慢速的条件下成形。在合适的变形温度和变形程度条件下，可保证模锻后获得完全再结晶的组织，经固溶处理后可得到细小晶粒。例如某厂的飞机起落架等锻件，原先是在无砧座锤上模锻成形，经常出现大晶粒，造成锻
24、件报废，后改用等温模锻工艺，较好地解决了这一问题。 4.折叠和流线不顺（包括涡流、穿流） （1）折叠是造成铝合金模锻件废品的一个主要缺陷。 锻件的折叠废品约占整个废品率的 70％～80％以上。它是由于模锻时金属对流，形成某些金属的重叠，最后压合成为折叠。这类废品，以工字形断面的锻件最为严重，并且不易消除。产生折叠的主要原因，可归纳如下： 1）锻件设计时，腹板与筋交角处的连接半径太小，筋太窄太高，腹板太薄，筋间距太大。另外，锻件各断面形状和大小变化太剧烈，难于选择坯料，使金属流动复杂； 2）坯料太大或大小，且形状不合理，使金属分配不当；
25、 3）形状复杂的锻件，没有制坯和预锻模，或者制坯和预锻模膛设计不合理，与终锻模膛配合不当，局部金属过多或过少； 4）工艺操作不注意，放料不正，润滑剂太多或润滑不均，加压速度太快，一次压下量太大； 5）供模锻用的自由锻坯棱角太尖，或每次修伤不彻底，模锻后就会发展成折叠。 （2）流线不顺、涡流和穿流 其形成原因与折叠基本相同，也是由于金属对流或流向紊乱而造成，只不过有的部位尽管存在有流线不顺和涡流现象，但未能发展成折叠那样严重的程度。穿流和涡流能明显降低塑性指标、疲劳性能和抗腐蚀性能。 为了防止铝合金锻件产生折叠、流线不顺、涡流、穿流和晶粒大小不
26、均匀等缺陷，必须采用如下对策： 1）设计锻件图时，筋不能太高太窄，筋间距不能太大，腹板不能太薄，筋与腹板连接的圆角半径不能太小，锻件各断面的变化要尽量平缓。 2）对于形状复杂和具有工字形断面的锻件，应采用多套模具，多次模锻，使坯料由简单的形状逐步过渡到复杂的锻件，以保证金属流动均匀，充填容易，纤维连续。 但是，在设计预锻模膛和制坯模膛时，必须减小筋的高度，增加腹板厚度，增加筋与腹板的连接半径，并使制坯模膛的各断面积等于或稍小于锻件各相应的断面积。根据终锻时模锻的情况，来调整在制坯模中模锻时的欠压量，或重新修整制坯模。 图片5-24是工字形断面三角架锻件的
27、终锻件，预锻件和制坯件的横断面的低倍图片。该锻件是采用三套模具（制坯模、预锻模、终锻模）逐步模锻成的。制坯模、预锻模、终锻模的各断面积分别相差15％左右，初锻、预锻时的欠压量均严格控制在 lmm左右。从图片5-24可以看到，锻件流线分布合理，晶粒大小均匀，没有折叠缺陷； 图片5-24 LD5锻造各工步的流线分布情况a）制坯件b）预锻件 c）终锻件 3）编制工艺时，要注意坯料计算，不能过大或过小。对断面变化较大的锻件，如果没有制坯模，则需用自由锻制坯，使坯料各断面的金属量分配合理，以防止金属变形不均，流动紊乱。 4）工艺操作时，放料要正、加压要慢，涂抹润滑剂要均匀，
28、并且要按工艺严格控制欠压量。对于制坯和预锻，要尽量压靠，使欠压为零。 5）对于具有通孔和废料仓的锻件，每次模锻后应进行冲孔，以利于容纳多余的金属。 6）改变锻件的分模面，采用反挤成形，金属流动条件好，锻件组织结构均匀，成品率高。例如，对于图5-14a、b形状的断面，最好改变成图5－14c、d的形式。 图5-14 铝合金锻件分模面先取原则 a）、b）不合理 c）d）合理 7）要注意锻件修伤，每次模锻后，必须仔细检查，把各种缺陷清除干净，以防止进一步模锻时缺陷扩展，使锻件报废。 5.气泡 在铝合金锻件表面，有时出现气泡（图片5-25），其
29、产生原因为： 图片5-25 LD5模锻件表面上的气泡 1）由挤压坯料表面气泡带来的。 2）在高温下加热（热处理或锻造加热跑温）时，铝合金特别是含镁量高的铝合金与炉内水蒸气发生作用，容易在锻件表面产生气泡。 火焰炉的炉气中存在的硫、或在电炉中加热时锻件表面带有含硫的残留润滑剂，都能促使气泡形成，但是电炉要比火焰炉好得多。 在热处理前，将锻件先阳极氧化或在锻件表面上涂上牛油，均有助于减缓锻件表面上水蒸气的作用，从而使气泡的形成减少到最低限度。 6.粘模、起皮和表面粗糙 铝合金因质地很软，外摩擦系数大，最容易粘模，这不仅会引起锻件
30、起皮，使锻件表面粗糙，有时甚至因不能脱模而中断生产。 起皮，即在锻件表面呈薄片状起层或脱落。其主要原因是由于模膛表面粗糙、变形过于激烈、变形速度太快、变形温度太高、变形量太大，模锻时没有润滑或润滑不良等造成的。此外，铸锭表面不干净（有水、油污、毛刺），挤压坯料表面有气泡，也能促成在模锻或锻造时产生起皮。 锻件表面粗糙，即锻件表面凹凸不平，呈麻面状。其产生主要原因是由于模膛表面不光滑，润滑剂不干净或燃点太高，涂抹过多、模锻时未完全挥发，残存在锻件表面上，蚀洗后在锻件表面上显现出不同的蚀洗深度。 为了消除粘模、起皮和表面粗糙，必须采取如下对策： 1）提高模具
31、硬度，并保证模膛表面粗糙度要低于Rα0.2μm。 2）采用优质的润滑剂。 3）对于容易起皮的锻件，坯料表面要干净，变形温度要低，变形程度要小，变形速度要慢，避免激烈变形，并且要适当地均匀润滑。 7.氧化膜 氧化膜是一种冶金缺陷，它是铝合金中主要的非金属夹杂物。氧化膜是合金熔铸时形成的。在铸锭中它呈颗粒状，在变形过程中被拉长成条状或片状，多位于模锻件的腹板上和分模面附近（见图片5-26）。其显微组织呈涡纹状（见图片5-27）。其断口组织特征可分两类：其一，在断口表面呈平整的片状（见图片5-28），颜色从银灰色、浅黄色直至褐色、暗褐色，称为片状氧化膜；其二，
32、在断口表面呈细小密集而带闪光的点状物，叫小亮点氧化膜。 图片5-26 LD5合金锻件低倍组织上的氧化膜 图片5-27 氧化膜处的显微组织（呈涡纹状） 70× 图片5-28 断口上呈片状的氧化膜 9× 锻件和模锻件中的氧化膜，对纵向性能元明显影响，但对高度方向的性能影响较大，它降低了高度方向的强度性能，特别是高度方向的伸长率、冲击性能和抗腐蚀性能（见表5-13）。 表5-13 有氧化膜的LD5铝合金锻件性能试验结果 高度方向力学性能试验项目 性能要求 试 样 编 号 1 2 3 4 抗拉强度σb/MPa 屈服强度σ0.2/MPa
33、 伸长率δ（%） 硬度/HBS ≥360 ≥280 ≥15 ≥120 361 241 4 118 360 244 4 118 322 253 8 121 331 248 6 120 防止氧化膜的对策是从熔炼和浇铸方面采取措施，主要如下： 1）熔铸时采用最有效的过滤系统； 2）提高精炼温度，彻底精炼熔体； 3）保证熔体的静置时间； 4）提高浇铸温度； 5）建立良好的转注条件，避免液流的翻滚波动，使液流在表层氧化膜的覆盖下平稳地流动； 6）充分地烘烤铸造工具，并要防止操作不慎，通过铸造工
34、具把氧化膜带人金属液内； 7）尽可能缩短转注距离（流槽长度），减少液体裸露在大气中的时间。 8.残留铸造组织 锻造大型锻件时，如果所用的铸锭在自由锻制坯时变形不充分，或者使用挤压变形程度不够的棒材作毛坯，则模锻后，锻件内很可能有铸造组织残留。残留铸造组织的锻件，延伸率往往不合格，断口呈粗大晶粒，高倍观察时，呈骨骼状或技晶网状组织。 为避免铸造组织残留，模锻前的毛坯需经过充分变形；在模锻件上取样时，应当在难变形区或不充分变形区取样，也可考虑在零件的重要受力区取样。 一般情况下没有单独的冷挤压和冷锻，其实两者都是一样的，一般在成型零件的时候同时存在，除非像飞机机身那样的通孔零件（或者胡克挤压）是纯挤压，（型材等也为纯挤压） 热挤压是指把零件加工到一定温度（此温度一般不会使零件内部组织产生变化，如钢铁在800以下)热挤压所需的挤压力量小，但是强度没有冷挤压的高，尺寸也没有其稳定；热挤压允许的变形量可以大于冷挤压。
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