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金属材料基础知识 一 概述 1 在机械 工程等工业领域中 采用的金属材料种类及品种繁多 其分类如下 2 金属材料性能 为更合理使用金属材料 充分发挥其作用 必须掌握各种金属材料制成的零 构件在正常工作情况下应具备的性能 使用性能 及其在冷热加工过程中材料应具备的性能 工艺性能 材料的使用性能包括物理性能 如比重 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 磁性等 化学性能 耐用腐蚀性 抗氧化性 力学性能 机械性能 材料的工艺性能指材料适应冷 热加工方法的能力 2 3化学性能 指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能 耐腐蚀性 指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力 抗氧化性 指金属材料在高温下 抵抗产生氧化皮能力 二 黑色金属 黑色金属 如生铁 铁合金 铸铁 钢 合金钢等 钢和生铁都是以铁为基础 以碳为主要添加元素的合金 统称为铁碳合金 习惯上把碳含量 2 11 的归类于铁 碳含量 2 11 的归类于钢 1 铁及其分类 1 1生铁 生铁是含碳量大于2 2 11 的铁碳合金 工业生铁含碳量一般在2 5 4 0 并含Si Mn S P等元素 是用铁矿石经高炉冶炼的产品 生铁生铁按含硅 Si 量划分铁号 按含锰 Mn 量分组 按含磷 P 量分级 按含硫 S 量分类 1 炼钢生铁 炼钢生铁含硅量不大于1 7 碳以Fe3C状存在 故硬而脆 断口呈白色 主要用作炼钢原料和可锻铸铁原料 炼钢生铁见下表所示 2 铸造用生铁铸造生铁硅含量为1 25 3 6 碳多以石墨状态存在 断口呈灰色 软 易切削加工 主要用来生产各种铸铁件原料如床身 箱体等 铸造生铁见下表所示 3 球墨铸造用生铁球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁 只是低硫低磷 低硫使碳充分在铁中石墨化 低磷提高生铁的机械性能 主要用于生产性能 机械性能 较好的球墨铸铁件 球墨生铁见下表所示 1 2铸铁 铸铁是含碳大于2 11 的铁碳合金 它是将铸造生铁 部分炼钢生铁 在炉中重新熔化 并加进铁合金 废钢 回炉铁调整成分而得到 与生铁区别是铸铁是二次加工 大都加工成铸铁件 铸铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件 一般有良好的切削加工性 另外具有耐磨性和消震性良好 价格低等特点 2 白口铸铁白口铸铁中的碳全部以渗透碳体 Fe3C 形式存在 因断口呈亮白色 故称白口铸铁 由于有大量硬而脆的Fe3C 白口铸铁硬度高 脆性大 很难加工 因此 在工业应用方面很少直接使用 只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件 如拔丝模 球磨机铁球等 大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料 3 灰口铸铁铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在 断口呈灰色 它具有良好铸造性能 切削加工性好 减磨性 耐磨性好 加上它熔化配料简单 成本低 广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件 4 可锻铸铁可锻铸铁是用碳 硅含量较低的铁碳合金铸成白口铸铁坯件 再经过长时间高温退火处理 使渗碳体分解出团絮状石墨而成 即可锻铁是一种经过石墨化处理的白口铸铁 可锻铸铁按热处理后显微组织不同分两类 一类是黑心可锻铸铁和珠光可锻铸铁 另一类是白心可锻铸铁 白心可锻铸铁组织决定于断面尺寸 小断面的以铁素体为基体 大断面的表面区域为铁素体 心部为珠光体和退火碳 可锻铸铁牌号 性能 根据GB9440 88 见下两表 2 钢及其分类 钢是含碳量在0 04 2 3 之间的铁碳合金 为了保证其韧性和塑性 含碳量一般不超过1 7 钢的主要元素除铁 碳外 还有硅 锰 硫 磷等 钢的分类方法多种多样 其主要方法有如下七种 2 1按品质分类 按照钢中硫 S 和磷 P 的含量可分为普通钢 优质钢和高级优质钢 1 普通钢 P 0 045 S 0 055 2 优质钢 P S均 0 035 3 高级优质钢 P 0 035 S 0 030 2 2按化学成份分类 1 碳素钢 a 低碳钢 C 0 25 b 中碳钢 C 0 25 0 60 c 高碳钢 C 0 60 2 合金钢 a 低合金钢 合金元素总含量 5 b 中合金钢 合金元素总含量 5 10 c 高合金钢 合金元素总含量 10 2 3按成形方法分类 1 锻钢 2 铸钢 3 热轧钢 4 冷拉钢 2 4按用途分类 1 建筑及工程用钢 a 普通碳素结构钢 b 低合金结构钢 c 钢筋钢 2 结构钢 a 机械制造用钢 b 弹簧钢 c 轴承钢3 工具钢 a 碳素工具钢 b 合金工具钢 c 高速工具钢 4 特殊性能钢 a 不锈耐酸钢 b 耐热钢包括抗氧化钢 热强钢 气阀钢 c 电热合金钢 d 耐磨钢 e 低温用钢 f 电工用钢 5 专业用钢 如桥梁用钢 船舶用钢 锅炉用钢 压力容器用钢 农机用钢等 2 6综合分类 1 普通钢a 碳素结构钢 Q195 Q215 A B Q235 A B C Q255 A B Q275 b 低合金结构c 特定用途的普通结构钢 2 优质钢 包括高级优质钢 a 结构钢 a 优质碳素结构钢 b 合金结构钢 c 弹簧钢 d 易切钢 e 轴承钢 f 特定用途优质结构钢 b 工具钢 a 碳素工具钢 b 合金工具钢 c 高速工具钢 c 特殊性能钢 a 不锈耐酸钢 b 耐热钢 c 电热合金钢 d 电工用钢 e 高锰耐磨钢 2 7按脱氧程度和浇注制度分 a 沸腾钢 b 半镇静钢 c 镇静钢 d 特殊镇静钢 1 概述 1 1有色金属分类 1 有色纯金属 分为重金属 轻金属 贵金属 半金属和稀有金属五类 2 有色合金 按合金系统分 重有色金属合金 轻有色金属合金 贵金属合金 稀有金属合金等 按合金用途则可分 变形 压力加工用合金 铸造合金 轴承合金 印刷合金 硬质合金 焊料 中间合金 金属粉未等 3 有色材料按化学成份分类 铜和铜合金材 铝和铝合金材 铅和铅合金材 镍和镍合金材 钛和钛合金材 按形状分类时 可分为 板 条 带 箔 管 棒 线 型等品种 三 有色金属材料 非黑色金属 1 2有色金属产品牌号表示方法 1 命名原则 有色金属及合金产品牌号的命名 规定以汉语拼音字母或国际元素符号作为主题词代号 表示其所属大类 如用L或AL表示铝 T或Cu表示铜 主题词以后 用成份数字顺序结合产品类别来表示 即主题词之后的代号可以表示产品的状态 特征或主要成份 如 LF为防 F 锈的铝 L 合金 LD为锻 D 造用的铝 L 合金 LY为硬 Y 的铝 L 合金 这三种合金的主题词是铝合金 L 又如 QSn为青 Q 铜中主要的添加元素为锡 Sn 的一类 QAL9 4为青 Q 铜中含有铝 AL 成分中添加元素铝为9 其他添加元素为4 这两种合金的主题词是青铜 Q 产品代号是由标准 GB340 78 规定的主题词汉语拼音字母 化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法来表示 2 铜及铜合金 2 1纯铜 纯铜是玫瑰红色金属 表面形成氧化铜膜后呈紫色 故工业纯铜常称紫铜或电解铜 密度为8 9g cm3 熔点1083 C 纯铜导电性很好 大量用于制造电线 电缆 电刷等 导热性好 常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器 仪表 如罗盘 航空仪表等 塑性极好 易于热压和冷压力加工 可制成管 棒 线 条 带 板 箔等铜材 纯铜产品有冶炼品及加工品两种 2 2铜合金 2 2 1黄铜黄铜是铜与锌的合金 最简单的黄铜是铜 锌二元合金 称为简单黄铜或普通黄铜 改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜 黄铜中锌的含量越高 其强度也较高 塑性稍低 工业中采用的黄铜含锌量不超过45 含锌量再高将会产生脆性 使合金性能变坏 为了改善黄铜的某种性能 在一元黄铜的基础上加入其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜 常用的合金元素有硅 铝 锡 铅 锰 铁与镍等 在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性 稍降低塑性 含铝小于4 的黄铜具有良好的加工 铸造等综合性能 在黄铜中加1 的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力 因此称为 海军黄铜 锡还能改善黄铜的切削加工性能 黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性 铅对黄铜的强度影响不大 锰黄铜具有良好的机械性能 热稳定性和抗蚀性 在锰黄铜中加铝 还可以改善它的性能 得到表面光洁的铸件 黄铜可分为铸造和压力加工两类产品 常用加工黄铜 2 2 2青铜 青铜是历史上应用最早的一种合金 原指铜锡合金 因颜色呈青灰色 故称青铜 为了改善合金的工艺性能和机械性能 大部分青铜内还加入其它合金元素 如铅 锌 磷等 由于锡是一种稀缺元素 所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜 它们不仅价格便宜 还具有所需要的特种性能 无锡青铜主要有铝青铜 铍青铜 锰青铜 硅青铜等 此外还有成份较为复杂的三元或四元青铜 现在除黄铜和白铜 铜镍合金 以外的铜合金均称为青铜 锡青铜有较高的机械性能 较好的耐蚀性 减摩性和好的铸造性能 对过热和气体的敏感性小 焊接性能好 无铁磁性 收缩系数小 锡青铜在大气 海水 淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高 铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨 耐蚀 耐寒 耐热 无铁磁性 有良好的流动性 无偏析倾向 可得到致密的铸件 在铝青铜中加入铁 镍和锰等元素 可进一步改善合金的各种性能 青铜也分为压力加工和铸造产品两大类 2 2 3白铜以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色 称为白铜 铜镍二元合金称普通白铜 加锰 铁 锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜 纯铜加镍能显著提高强度 耐蚀性 电阻和热电性 工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种 分别满足各种耐蚀和特殊的电 热性能 白铜多经压力加工成白铜材 常用加工白铜的组别 牌号 3 铝及铝合金3 0概述 铝是一种轻金属 密度小 2 79 Cm3 具有良好的强度和塑性 铝合金具有较好的强度 超硬铝合金的强度可达600Mpa 普通硬铝合金的抗拉强度也达200 450Mpa 它的比钢度远高于钢 因此在机械制造中得到广泛的运用 铝的导电性仅次于银和铜 居第三位 用于制造各种导线 铝具有良好的导热性 可用作各种散热材料 铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性 适合于各种压力加工 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金 变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金 不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能 只能通过冷加工变形来实现强化 它主要包括高纯铝 工业高纯铝 工业纯铝以及防锈铝等 可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能 它可分为硬铝 锻铝 超硬铝和特殊铝合金等 铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能 物理性能和抗腐蚀性能 铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金 铝铜合金 铝镁合金和铝锌合金 3 1纯铝产品 纯铝分冶炼品和压力加工品两类 前者以化学成份Al表示 后者用汉语拼音LG 铝 工业用的 表示 3 2压力加工铝合金 铝合金压力加工产品分为防锈 LF 硬质 LY 锻造 LD 超硬 LC 包覆 LB 特殊 LT 及钎焊 LQ 等七类 常用铝合金材料的状态为退火 M焖火 硬化 Y 热轧 R 等三种 压力加工铝合金的产品代号 3 3铸造铝合金铸造铝合金 ZL 按成分中铝以外的主要元素硅 铜 镁 锌分为四类 代号编码分别为100 200 300 400 3 4高强度铝合金 高强度铝合金指其抗拉强度大于480MPa的铝合金 主要是压力加工铝合金中硬铝合金类 超硬铝合金类和铸造合金类 金属材料的化学性能最主要的是指它的耐腐蚀性 材料抵抗周围介质对腐蚀破坏的能力称为材料的耐腐蚀性能 耐蚀性不是材料固有不变的特性 它随材料的工作条件而改变 四 黑色金属及其合金耐蚀性 1 碳钢和普通铸铁的耐蚀性1 1耐蚀性能在淡水 大气 土壤 海水等中性介质中都不耐蚀 在各类干燥气体和有机溶剂等介质中耐蚀性良好 在低浓度碱溶液及浓硫酸 浓氢氟酸等介质中 碳钢和普通铸铁表面能生成稳定的膜 因而是耐蚀的 1 2影响耐蚀性的因素介质组成 铁碳合金的成分和组织 钢铁热处理条件差异 2 耐蚀合金铸铁在铸铁中加入某些合金元素可以大大提高它在一些介质中的耐蚀性 如添加硅 铬 铝等元素 可使铸铁表面形成连续 致密 牢固的表面膜 添加镍能获得耐碱性介质腐蚀性能优良的奥氏体铸铁 加稀土元素 镁 能使石墨球化 从而大大改善高硅铸铁的力学性能和工艺性能 3 耐蚀低合金钢耐蚀低合金钢通常是指在碳钢中加入合金元素的总量低于3 左右的合金 加入的合金元素种类 含量不同 所起的作用不同 根据在不同介质中的耐腐蚀性能 可将耐蚀低合金钢分为如下几种 1 耐大气腐蚀钢种 2 耐海水腐蚀钢种 3 耐硫化氢腐蚀钢种 4 不锈钢的耐蚀性不锈钢是铬 镍含量较高的合金钢 通常把耐大气腐蚀的合金钢称为不锈钢 把在酸中及其它强腐蚀性介质中耐腐蚀的合金钢称为耐酸钢 一般把上述不锈钢与耐酸钢统称为不锈耐酸钢或简称为不锈钢 4 1铬13不锈钢 本钢种含铬12 14 约为不锈钢必需含铬的最低量 Cr 12 它可经热处理硬化 产生带磁性的马氏体结构 所以通称马氏体不锈钢 低碳品种有铁素体不锈钢 它的耐蚀性和其它不锈钢类似 能够耐大气 水 硝酸 碱 盐 有机酸 有机化合物及其它氧化性环境的腐蚀 不耐非氧化性酸 硫酸 盐酸等 的腐蚀 在含有卤素离子的溶液中可产生孔蚀和应力腐蚀破裂 由于它不含镍 铬含量也较低 所以一般耐蚀性都低于铬17铁素体和铬18镍9奥氏体不锈钢 它的强度和硬度高 韧性较低 常用于同时需要耐蚀性 强度和硬度的部件 如阀门部件 球轴承等 一般不用作槽 管等化工设备 4 2铬17不锈钢 铬17不锈钢含铬17 27 晶粒结构主要是带磁性的铁素体 所以通称铁素体不锈钢 它不能经热处理硬化 但可通过冷加工硬化 它的耐蚀性和其它不锈钢类似 耐大气性能优良 耐硝酸和其它氧化性环境 也耐碱 盐 水 有机酸及其它有机化合物的腐蚀 不耐非氧化性酸 硫酸 盐酸等 的腐蚀 其耐蚀性优于马氏体不锈钢 低于奥氏体不锈钢 但在耐应力腐蚀破裂方面优于奥氏体不锈钢 主要用于耐大气腐蚀的如汽车和建筑业的各类部件 家庭用具等 也可用于硝酸工业的设备 如贮罐 但因其焊接 加工性能远低于铬18镍9钢 故在化工方面的应用受到了限制 本钢种有含钛 不含钛和低碳等几个品种 其耐蚀性基本相似 低碳含钛的钢对晶间腐蚀有较强的抵抗力 4 3铬18镍9不锈钢 铬18镍9不锈钢 奥氏体 是含铬11 以上或同时含镍的钢种的通称 它在常温氧化性环境 如大气 水 强氧化性酸等 中容易钝化 使表面产生一层以氧化铬 Cr2O3 为主 保护性很强的薄膜 其腐蚀率极低 因此得 不锈钢 之名 但当温度增高或环境的氧化能力减小时 将由钝态变为活态 腐蚀显著增大 各类不锈钢对有机酸 有机化合物 碱 中性溶液和多种气体都有良好耐蚀性 在非氧化性酸 硫酸 盐酸等 中腐蚀严重 不锈钢设备的腐蚀常常为局部腐蚀 当处于钝态和活态边缘 在含有卤素离子的盐溶液中 可能产生孔蚀 在含有对应力腐蚀敏感离子 如Cl OH 等 的溶液中 受应力的部分 如焊缝附近 则可能产生危险的应力腐蚀破裂 焊缝两侧的敏化区还易产生晶间腐蚀 铬镍钢的耐蚀性和机械性能都超过单纯铬钢 镍的加入促进奥氏体结构的生成 可得到更好的机械性能 特别是使韧性提高 同时又增大了钝化范围 使它更容易钝化 铬18镍9钢是不锈钢中用途最广的品种 它没有磁性 不能不能经热处理硬化 但和铁素体不锈钢一样 可经冷加工硬化 加入少量钛或铌的品种对晶间腐蚀的抗力较高 也称 稳定钢 铬 镍含量越高 耐蚀性和耐热性也越高 如铬25镍20钢就具有耐高温氧化的特点 此外 还生产了以锰代镍的节镍或无镍钢 铬锰氮钢 所有以上品种耐蚀性基本相同 唯有含钼2 4 的铬镍钼钢对非氧化性酸 卤化物等介质的耐蚀性较好 不易产生孔蚀 因差别较多 所以另列表 4 4铬18镍12钼 钛 不锈钢 本钢种和一般铬镍不锈钢相似 氮由于加入了2 4 的钼 所以在许多方面比铬镍不锈钢更为优越 特别是在非氧化性酸和热的有机酸 氯化物中的耐蚀性要比铬镍不锈钢好得多 抗孔蚀的能力也越好 含钛或铌的钢对晶间腐蚀有较强的抗力 含钼的铬锰氮 镍 钢耐蚀性与钢种基本类似 因此 可作本钢种的代用品 铬26钼1微碳铁素体不锈钢 E Brite26 1 耐蚀性与本钢种类似 与其它无镍铁素体钢同样具有耐孔蚀和应力腐蚀破裂的优点 且因碳 氮的含量低 所以也耐晶间腐蚀 可作本钢种的节镍代用品 4 5铬20镍22 30不锈钢 20号合金 铬20镍22 30不锈钢不锈钢国外商品名为Durime20 铸材 Carpehter20 锻材 Worthite 牌号见下表 本类合金因铬 镍含量较高 所以耐蚀性比普通不锈钢更高 可用于处理硫酸 硝酸 磷酸 混酸 亚硫酸 有机酸 碱 盐溶液 硫化氢等 在某些浓度下 还可用于高温 但不耐浓或热的盐酸 湿的氟 氯 溴 碘 王水等的腐蚀 因为价格较贵 一般由于腐蚀严重的环境以及高温 高速下磨蚀严重的部件 如阀 泵等 不同牌号的钢种由于合金成份略有差异 在个别环境中耐蚀性可能有差别 使用时要注意 五 有色金属及其合金耐蚀性 1 铜及其合金 铜及其合金具有高的导电性 导热性 塑性 冷韧性 并且在许多介质中具有高的耐蚀性能 1 1纯铜也称紫铜 铜在一般大气 工业大气 海洋性大气中 比较稳定 在碱中 在弱的和中等浓度的非氧化性酸中也相当稳定 若溶液中有氧或氧化剂存在 腐蚀将更加严重 铜不耐硫化物 如H2S 腐蚀 铜具有高的导电性 导热性 塑性和良好的加工性能 另外 铜具有良好的冷韧性 但铜的强度低 铸造性能不好 且在某些介质中的耐蚀性不高 很少用作结构材料 1 2铜合金 常用的铜合金有黄铜和青铜 1 黄铜铜与锌组成的合金称为黄铜 为改善其性能 常加入锡 铝 硅 镍 锰 铅 铁等元素 这样形成的合金称为特殊黄铜 特点 机械性能与含锌量有着极为密切的关系 铸造性能很好 抗蚀性较好 含锌量大于20 的黄铜经冷加工后 在潮湿的大气 海水 高温高压水 蒸汽及一切含氨的环境中都可引起应力腐蚀断裂 黄铜在中性溶液 海水和在退火后酸洗溶液中易发生脱锌腐蚀 可在黄铜中加入0 02 的砷防止其发生 2 青铜凡是铜合金中的主加元素不是锌而是锡 铝 硅等其它元素者 通称为青铜 常用的青铜有锡青铜 铝青铜和硅青铜等 特点 锡青铜铸造性能较黄铜差 抗腐蚀性比纯铜和黄铜更好 但对酸类的抗蚀性较差 铝青铜的机械性能也比黄铜和锡青铜高 而且在大气 海水 碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性 硅青铜具有比锡青铜高的机械性能和较低的价格 而且铸造性能和冷 热压力加工性能都很好 2 铝及其合金 2 1铝特点 铝的密度小 比重为2 7 约为铜的1 3 导电性 导热性 塑性 冷韧性都好 但强度低 经冷变形后强度可提高 能承受各种压力加工 铝是电极电位很负的元素 铝在强氧化性介质以及在氧化性酸 如硝酸 中也是稳定的 卤素离子对铝的氧化膜有破坏作用 所以铝在氢氟酸 盐酸 海水和其它含卤素离子的溶液中是不耐蚀的 应用 广泛用于制造反应器 热交换器 冷却器 泵 阀 槽车 管件等 2 2铝合金纯铝的强度较低 若在铝中加入一些元素 如铜 镁 锌 锰 硅等形成铝合金 其性能将会有很大的改善 3 钛及其合金3 1纯钛特点 是很活泼的元素 有很好的钝化性能 钝化膜很稳定 在许多环境中表现出很好的耐蚀性 有 耐海水腐蚀之王 之称 高温下 钛的化学活性很高 能与卤素 氧 氮 碳 硫等元素发生剧烈反应 钛一般不发生孔蚀 除在几种个别介质 如发烟硝酸 甲醇溶液 中 也不发生晶间腐蚀 钛的应力腐蚀破裂敏感性小 具有抗腐蚀疲劳的性能 耐缝隙腐蚀性能良好 3 2钛合金特点 钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高 工业上使用的都是钛合金 钛合金的主要腐蚀形态是氢脆和应力腐蚀破裂 4 镍及其合金4 1镍特点 在各种温度 任何浓度的碱溶液和各种熔碱中 镍具有特别高的耐蚀性 但镍在含硫气体 浓氨水和强烈充气氨溶液 含氧酸和盐酸等介质中 耐蚀性很差 镍具有高强度 高塑性和冷韧的特性 能压延成很薄的板和拉成细丝 镍很稀贵 在水处理工程和化工上主要用于制造碱性介质设备 以及铁离子在反应过程中会发生催化影响而不能采用不锈钢的那些过程设备 4 2镍合金Ni Cu合金中的蒙乃尔合金具有很好的力学性能和机械性能 易于压力加工和切削加工 耐蚀性好 主要用于在高温荷载下工作的耐蚀零件和设备 Ni Mo合金中的哈氏合金 0Cr16Ni57Mo16Fe6W4 能耐室温下所有浓度的盐酸和氢氟酸 Ni Cr合金中的因考尔合金 0Cr15Ni57Fe 在高温下具有很好的力学性能和很高的抗氧化能力 是能抗热浓MgCl2腐蚀的少数几种材料之一 END