汽车用钢铁材料—合金钢-合金结构钢
汽车常用金属材料
二、有色金属材料
(一)铝及铝合金
铝及铝合金的密度小，属轻金属，在地球上的储量丰富，可以说居金属 元素之首。有关试验说明，若采用铝合金制造汽车的缸体和车身，整个汽车 的自重可减轻40％。
应用于轿车上的铝合金以铸铝为主。发动机部分气缸体是大尺寸的铝铸 件，采用铝铸件的还有曲轴箱、气缸盖、活塞、滤消器和发动机架等，尤其 是活塞几乎都用铝合金。
3.可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火得到的一种具有团絮状石墨的铸铁， 其中碳以团絮状石墨形式存在。常用于制造汽车、拖拉机的薄壳零件、低压 阀门和各种管接头等。
4.球墨铸铁
球墨铸铁是将铁液经过球化处理而使石墨大部分或者全部呈球状的铸铁。 用球墨铸铁可制造一些受力复杂而强度、韧性及耐磨性要求高的零件。
2.合金结构钢 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入合金元素而得到的钢。
3.合金工具钢 合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素制成的。加入了合金
元素，使得合金工具钢热处理性能得到了改善，因而提高了材料的热硬性、 耐磨性。这类钢常用来制造各种量具、模具和切削刀具，也可对应地分为量 具钢、模具钢和刃具钢，其化学成分、性能和组织结构也不同。
(二)铜及铜合金
铜是人类发现和使用最早的金属。在汽车工业所用有色金属材料中，铜 合金用量仅次于铝合金。
常用金属材料
金属材料是目前汽车上应用最广泛的工程材料。工业上，通常把金属材 料分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色Байду номын сангаас属是指钢铁材料，有色金属是 指除铁材料以外的其他所有金属材料，如铝、铜、镁及其合金。
一、黑色金属材料 (一)碳素钢
碳素钢又称碳钢，是含碳量小于2.11%，并含有少量硅、锰、磷、硫等 杂质元素的铁碳合金。 1.碳素钢的分类
特殊钢生产工艺综述
特殊钢生产工艺综述摘要：特殊钢包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，本文介绍了特殊钢的生产工艺，重点论述了合金结构钢、汽车用齿轮钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢和不锈钢的性能及生产工艺技术。
关键词：特殊钢性能生产工艺特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种。
其与普通钢相比具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。
因其性能特殊，决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。
因此，在生产制造特殊钢时，就需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能[1]。
特殊钢的定义在国际上没有明确规定，各国特殊钢的统计分类不完全相同。
我国特殊钢定义与日本、欧洲相近，包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，通常展开为优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢( 碳素弹簧钢和合金弹簧钢) 、耐热钢和不锈钢。
近年来，围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢成本、节能降耗、环境友好等方面采用了一系列新技术、新工艺、新装备，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。
特殊钢生产工艺流程主要有3种[2]：1) 电炉流程( 即短流程) ：电炉—二次精炼—连铸—轧制。
2) 转炉流程(长流程) ：高炉—铁水预处理—转炉—二次精炼—连铸—轧制。
3) 特种冶金：特种冶炼( 如真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等)—锻造或轧制。
这里要指出的是有些钢种的生产至今还必须走模铸—开坯—轧制或锻造的工艺流程。
由于宇航、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠性、稳定性等的要求越来越高，电弧炉，转炉冶炼的钢质量很难满足这些要求，所以必须使用特种冶金技术。
特种冶金包括：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等。
难熔金属(钨、钼、铌、钽) 及活泼金属( 钛及钛合金，包括钛、铝金属间化合物等) 用真空电弧重熔、电子束熔炼以及冷坩埚感应熔炼等方法来制备；高温合金、精密合金以及某些对质量要求很高的合金钢用真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔等方法来生产[3]。
第二章_钢铁材料及其在汽车上的应用
钢中常存元素
常存元素
来源
影响
锰 有益元素
生铁、脱氧剂
降低钢的脆性 改善热加工性能 固溶强化铁素体
硅 有益元素
生铁、脱氧剂
降低钢的脆性 固溶强化铁素体
硫 有害元素
生铁、燃料
使钢产生热脆 改善钢切削加工性
磷（有害元素）
生铁
使钢产生冷脆
氮、氢、氧
大气、生铁
N：产生时效变脆 H：氢脆、白点 O：氧化物夹杂裂纹源
（2）硫、磷的影响
硫、磷是有害元素，它们会使
钢的塑性和韧性下降。硫还会使钢 在锻造、轧制等热加工时产生脆化， 导致工件开裂，即“热脆”现象； 磷虽能增强钢的硬度和强度，但磷 能使钢在低温时塑性和韧性大大下 降，这种现象称为“冷脆”。磷的 存在还会使钢的焊接性能变坏，焊 接时容易产生裂纹。因此，钢中应 严格控制硫、磷的含量。
二、碳钢的分类
钢是碳含量小于2。11%的铁碳合金。钢 具有必要的力学性能，可以扎制成各种 型材。
铁是碳含量大于2。11%的铁碳合金。钢 没有韧性，不能锻造。但是铁的铸造性 能良好，可以用来铸造各种结构复杂的 零件，也就是我们平时说的铸件。
我们所接触最多的铁以及铁的合金，根 据材料性能和组织分为碳素结构钢、合 金钢、等几大类，各个大类又分为各个 小类:
用途广泛，用于轧钢机机架、 轴承座、连杆、箱体、曲轴、 缸体、飞轮等
知识链接
优质碳素结构钢的分类：
渗碳钢：含碳量在0.15％～0.25％，常用于 制造渗碳零件。
调质钢：含碳量在0.25％～0.50％，通过调 质处理来提高其综合性能。
弹簧钢：含碳量在0.55％～0.9％，用于制 造弹簧等各种弹性元件及耐磨零件。
少量其他元素 性能特点： 较高的强度、塑性和韧性，
钢铁材料的分类
钢铁材料的分类钢铁是一种常见的金属材料，广泛应用于工业领域。
根据不同的分类标准，钢铁可以分为多种类型。
本文将介绍钢铁材料的一些主要分类。
一、根据成分分类：1. 碳钢：碳为主要合金元素，碳含量在0.05%-2.0%之间的钢铁。
根据碳含量的不同，又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
2. 合金钢：除了碳以外，还含有其他合金元素（如锰、铬、镍、钼等）的钢铁。
合金钢可按主要合金元素进行分类，如锰合金钢、铬合金钢等。
3. 不锈钢：主要合金元素为铬，具有耐腐蚀性能的钢铁。
不锈钢又可分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢等不同类型。
4. 工具钢：用于制造各种工具的高强度钢铁。
工具钢根据用途和性能要求的不同，又可分为冷作工具钢、高速工具钢、耐热工具钢等。
5. 耐磨钢：具有较高的耐磨性能的钢铁，适用于矿山、建筑等场合。
根据耐磨性能的不同，耐磨钢又可分为高锰钢、铬质耐磨钢等。
二、根据生产工艺分类：1. 铸钢：通过熔化后浇注入模具中并凝固形成固态的钢铁。
铸钢可根据浇注方法不同分为连铸钢和浇铸钢。
2. 锻钢：通过加热钢坯至塑性状态后，在压力作用下使钢坯发生塑性变形，形成所需形状的钢铁。
锻钢可根据锻造温度不同分为热锻钢和冷锻钢。
3. 拉延钢：通过将钢坯加热至塑性状态后，利用拉力使钢坯发生塑性变形，形成所需形状的钢铁。
4. 轧钢：通过将钢坯经过连续轧制工艺，在高温下使钢坯发生塑性变形，形成所需形状的钢铁。
三、根据用途分类：1. 结构钢：用于制造各种建筑结构、桥梁、制船等工程。
根据用途和性能要求的不同，结构钢可分为碳素结构钢、合金结构钢等。
2. 密封钢：用于制造容器、管道等要求有密封性能的工业设备。
密封钢一般要求耐腐蚀、耐高温、耐压等特性。
3. 弹簧钢：用于制造各种弹簧，具有较高的弹性模量和弹性极限，能够承受较大的变形和恢复。
4. 导热钢：用于制造散热器、炉具等导热设备。
导热钢要求具有良好的热导性能和高温稳定性。
5. 刀具钢：用于制造各种切削工具，如刀片、刀具等。
汽车常用金属材料
项目二 汽车常用工程材料
活动二 汽车常用金属材料
3. 常用碳钢的牌号、性能及主要用途 1）碳素结构钢。这类钢的牌号由代表屈服点的字母“Q”、屈服点值（单位 MPa）、质量等级（分为A、B、C、D四级，A级质量最低，D级质量最高）、脱氧 方法符号（F为沸腾钢，Z为镇静钢，B为半镇静钢）按顺序排列组成。例如Q235— AF，表示屈服强度为235MPa的A级质量的碳素结构钢，属于沸腾钢。
影响。
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
硫
磷
锰
硅
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
2. 碳钢的分类
1）按碳含量分类： ① 低碳钢 含碳量wc＜0.25％ ② 中碳钢 含碳量wc＝0.25％～0.6％ ③ 高碳钢 含碳量wc＞0.6％
2）按质量分类（主要根据有害杂质硫、磷的含量分类）： ① 普通碳素钢 含硫量wS≤0.05％，含磷量wP≤0.045％。 ② 优质碳素钢 含硫量wS、含磷量wP均≤0.035％。 ③ 高级优质碳素钢 含硫量wS≤0.02％，含磷量wP≤0.03％。
图2-2-8）。
球墨铸铁的牌号由球铁“QT”加两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度(MPa)和最小
伸长率，如QT400—18表示最低抗位强度为400MPa和最小伸长率18％的球墨铸铁。
球墨铸铁的牌号、性能、用途如表2-2-6所示
表2-2-6 球墨铸铁的牌号、性能及用途
项目二 汽车常用工程材料
1．表面淬火
钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度，不等热量传到工件内层 就予以快速冷却下来的热处理工艺。
1) 火焰加热表面淬火 其工艺方法是利用可燃气体(如乙炔)的火焰将工件表面快速加热到淬火温度，然 后立即用水喷射冷却，通过控制火焰喷嘴的移动速度可获得不同厚度的淬硬层。此 法适用于单件或小批量零件的表面淬火。 2) 感应加热表面淬火
汽车常用工程材料
（一）常见杂质元素对碳钢性能的影响
在实际生产中使用的碳钢，不单纯是铁和碳组成的合金，还包
含有锰、硅、硫、磷等杂质元素，它们对碳钢的性能有一定的影 响。
（1）锰 锰是钢中的有益元素，由于炼钢时用锰铁脱氧而残留在 钢中的。
（2）硅 硅也是钢的有益元素。 （3）硫 硫是钢的有害元素，是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中
试验可以测定金属的强度和塑性指标。 静载荷拉伸试验的原理：用静拉力（载荷）对待测样本
进行轴向拉伸，同时连续测量并记录试验力的大小和相 应的试样伸长量，一直到试样断裂。根据测量的数据， 即可得出有关的力学性能指标，如图6-1所示。
图6-1 静载荷拉伸试验
图6-2所示是低碳钢拉伸曲线图。纵坐标表示试样受到 的静拉力（载荷）F，单位为N，横坐标表示试样的伸 长量△L，单位为mm。
钛及其合金是一类新型的材料。现在，钛及其合金已经 代替其他金属材料大量用在航天航空，武器制造，交通 运输，化工轻工及医疗卫生等部门，行业当中，发挥着 越来越重要的作用，被称为“21世纪的金属”。
（1）工业纯钛 （2）钛合金 1）α钛合金 ； 2）β钛合金 ；3）α+β钛合金
5． 粉末冶金
（cm2）, αk的单位为J／cm2。 2． 疲劳强度 疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大
应力，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的 疲劳强度最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得 的材料所受循环应力σ与断裂前的循环次数N的关系曲 线称为疲劳曲线，如图6-7 所示。由图中可以看出，循 环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。当 应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力 作用下，材料经无数次的应力作用达到某一基数而不断 时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限，一般钢铁材 料的循环次数取107次。
合金结构钢的定义与分类
合金结构钢的定义与分类一、调质钢经受淬火和在AC1以下进行回火的热处理钢称为调质钢。
传统的调质钢是指淬火和高温火钢调质钢是机械制造行业中应用十分广泛的重要材料之一。
调质钢在化学成分上的特点是，碳含量为0.3—0.5%，并含有一种或几种合金元素。
具有较低或中等的合金化程度。
钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。
热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体，并在500℃--650℃回火。
热处理后的金相组织是回火索氏体。
这种组织具有强度、塑性的韧性的良好配合。
调质钢的质量要求，除一般的冶金方面的代倍和高倍组织要求外，主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。
在特定条件下，还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。
由于调质钢最终采用高温回火，能使钢中应力完全消除，钢的氢脆破坏倾向性小，缺口敏感性较低。
脆性破坏抗力较大。
但也存在特有的高温回火脆性。
大多数调质钢为中碳合金结构钢，屈服强度（σ0.2）在490—1200MPao以焊接性能为突出要求的调质钢。
，为低碳合金结构钢，屈服强度（σ0.2）一般为4901—800MPa，有很高的塑性和韧性。
少数沉淀硬化型调质钢，屈服强度（σ0.2）可到1400MPa以上，属高强度的超高强度调质钢。
常用的合金调质钢按淬透性的强度妥为四类：①低淬透性调质钢;②中淬透性调质钢；③较高淬透性调质钢；④高淬透性调质钢。
二、渗碳钢具有高碳的耐磨表层和低碳的高强韧性心部，能承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。
汽车、工程机械和机械制造等行业中，大量使用的齿轮，是渗碳钢应用中最具代表性实例。
渗碳钢常用的合金钢系列主要是Cr-Mn系、Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系等。
保证渗碳钢心部的组织和性能的核心是淬透性。
一般用途的渗碳件的心部组织为50%左右的马氏体加其它非马氏体组织。
重要用途（如航空渗碳齿轮），心部组织亦应为马氏体或马氏体/贝氏体组织。
常用汽车材料
料
分类
按钢中碳的含量多少可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢;
按钢的质量可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢;
按钢的用途分为碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢。
碳素钢
碳素结构钢
常
主要用于制作各种机器零件和工程构件,以低碳钢和中
用
碳钢为多。
汽
汽车上受力不大、要求一定的强度、硬度、韧性和良
车
好的加工性能的零部件大量的使用碳素结构钢。
汽
常用牌号和用途
车
牌号：ZG200-400 ZG200-400 ZG270-500
材
ZG310-570
料
牌号解释： ZG200-400表示屈服强度不小于
200MPa,抗拉强度不小于400MPa 的铸造碳钢.
铸造碳钢
常 用 汽 车 材 料
机座
铸造碳钢
常 用 汽 车 材 料
连杆
铸造碳钢
常 用 汽 车 材 料
它表示的是材料抵抗弹性变形的能力，反映了材
料发生弹性变形的难易程度。
常 用 汽 车 材 料
1．强度
定义：在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。
物理意义：材料在每个变形阶段的应力极限值。
常 用 汽 车 材 料
（1）弹性极限σe
材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值为弹性极 限σe，即A点对应的应力值，表征材料发生微量塑性变形 的抗力。
调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。
1．布氏硬度
常
测试原理：用一定大小的荷载F，把直径为D的硬
用 汽
质合金球压入被测试样表面，保持规定时间后卸除荷
车
载，移去压头，用读数显微镜测出压痕平均直径d。
材
用荷载F除以压痕的表面积所得的商，即为被测材料
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合金元素 百分含量
例：9SiCr 5CrMnMo 3Cr2W8V CrWMn Cr12MoV
2020/5/27
特殊情况：高速钢中，Wc＜1%有时也不标出
如：W18Cr4V
特例：滚动轴承钢中： ① 碳含量不标出； ② “Cr”用其“千”分之几表示。
如：GCr15中，15表示平均Cr含量为1.5%
2.合金钢钢的牌号：
08F、45、65Mn——优质碳素结构钢 T10A——高级优质碳素工具钢 ZG270-500 ——碳素铸钢
2020/5/27
【案例2-4】
在日常生活中，我们市场上买的低价菜 刀或工具容易生锈、磨损或折断，而价 格高、质量好的却不易发生上述现象呢
任务2.4 合金钢
➢合金钢的优点
（1）高强度高韧性
2020/5/27
H He Li Be B (氢 氦 锂 铍 硼) Na Mg Al Si P (钠 镁 铝 硅 磷) C N O F Ne(碳 氮 氧 氟 氖) S Cl Ar K Ca (硫 氯 氩 钾 钙)
Sc Ti V Cr Mn (钪 钛 钒 铬 锰)
1．低合金高强度钢
Fe Co Ni Cu Zn (铁 钴 镍 铜 锌)
110mm厚的Q460E钢材4.2万吨！
2020/5/27
九江长江大桥-216米
表2-14 常用低合金高强度钢牌号、成分、性能
钢号
旧钢号
Q295
Q345
Q390 Q420 Q460
09MnNb 12Mn
16Mn
16MnRe
16MnNb 15MnTi
14MnVTiRe 15MnVN
14MnMoV 18MnMoNb
用途→工作条件→性能要求→成分→处理条件→性能
2020/5/27
带着问题去学习
类别
低合金高强钢
合 合金渗碳钢 金 结 合金调质钢 构 钢
合金弹簧钢
滚动轴承钢
成分特点
常用牌号举例 热处理方法
性能特点 用途举例
2020/5/27
1．低合金高强度钢
➢用途——用于强度较高的大型金属结构
如：桥梁、船舶、车辆（载重汽车大梁） 来自力容器（锅炉），输油、输气管道等。
Wc的“万”分之几 所加合金元素
例：16Mn 20CrMnTi 38CrMoAlA 40Cr 60Si2Mn
2020/5/27
合金元素 百分含量
高级优质或特级优质
2.合金钢钢的牌号：
➢合金工具钢
数字 ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）
Wc＜1% “千”分之几 Wc≥1% 不标
所加合金元素
问题回顾——碳素钢
一、常存杂质元素对钢性能的影响
1. 钢中常存杂质有哪些？哪些是有益元素？哪些是有害元素？
答：钢中常存杂质有锰、硅、硫、磷. 其中：锰、硅是有益元素；硫磷是有害元素。 硫——产生热脆；磷——产生冷脆。
二、常用碳素钢
2.Q235、08F、45、65Mn、T10A、ZG270-500 分别是哪类钢？ 答：Q235——普通碳素结构钢
➢缺点：冶炼、加工工艺复杂，成本高.
合金钢之所以有以上优点，是合金元素的作用
汽车上的重要零件大多采用合金钢制造。
2020/5/27
2.4.1 合金钢的分类及牌号
1. 合金钢的分类
（1）按用途分类
1)合金结构钢——制造各种重要机械零件和工程结构。 2)合金工具钢——制造各种重要的加工工具，如刃具、量具和模具等。 3)特殊性能钢——制造具有特殊性能要求的结构件和机械零件。
（2）按合金元素的含量分类
1)低合金钢——合金元素总质量分数小于5%。 2)中合金钢——合金元素总质量分数为5%~10%。 3)高合金钢——合金元素总质量分数大于10%。
（3）按合金元素的种类分
2020/5/27
2.合金钢钢的牌号：数字 + 元素符号 + 数字 + ……+A（E）
➢合金结构钢
×× ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）＋ A(E)
④ 提高耐蚀性(Cu、P)
⑤ 脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能(Re)
因碳和合金元素的作用，在承受相同载荷的前提下，合金钢可以比碳钢 减轻20-30%的重量，有利于汽车的轻量化。
2020/5/27
1．低合金高强度钢
Q235
武汉长江大桥-128米
Q345
Q460E
南京长江大桥-160米
Q420
➢ 特殊性能钢
数字 ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）
2020/5/27
Wc “千”分之几 Wc ≤ 0.1%，以“0”表示 Wc ≤ 0.03%，以“00”表示
例： 0Cr18Ni9Ti 00Cr18Ni9Ti
2.4.2 合金结构钢
1．低合金高强度钢 2．合金渗碳钢 3. 合金调质钢 4. 合金弹簧钢 5. 滚动轴承钢
主 要 化 学 成 分，%
C
Mn Si，
0.16
0.80 ~1.50
0.55
0.18 1.00 ~0.20 ~1.60
0.55
0.20
1.00 ~1.60
0.55
0.20
1.00 ~1.70
0.55
0.20
1.00 ~1.70
0.55
力学性能
s ，MPa b ，MPa
295
570
345
630
390
650
➢ 成分特点：
保证钢的塑性、韧性，焊接性和冷成形性能
低C(Wc < 0.2% ) 低合金(WMe < 3% )
Mn、V、Ti、Nb、Cu、P、Si、Re
① 产生固溶强化，提高 F 的强度 (Mn、Si)
② 产生弥散强化，细化晶粒(V、Ti、Nb) ，提高σs、σb、ak ③ 增加P，并使之细化(Mn)
2020/5/27
1．低合金高强度钢
➢ 工作条件
① 不作相对运动，长期承受静载荷； 锅炉：使用温度可达250℃以上；
② 有一定温度要求 桥梁、载重汽车大梁：冬天要承受低温；
③ 耐腐蚀——桥梁、船舶：承受大气和海水的侵蚀。
➢ 性能要求
① 较高的强度和良好的塑韧性；σS=300~460Mpa，而普碳钢σS=275Mpa； ② 低的韧脆转变温度（-40-50℃）； ③ 耐蚀性好； ④ 良好的焊接性和冷成型性；
Q235： σs=235 Mpa 16 Mn：σS=345 Mpa
有利于汽车实现轻量化。
（2）高的淬透性及回火稳定性
45＃：D0=（10-18）㎜
适于制造尺寸大的零件。
40Cr：D0=（20-36）㎜
因其淬透性好，可用油淬，不易变形、开裂，适于形状复杂的零件。
（3）特殊性能：耐高（低）温、耐腐蚀、耐磨损等性能。
420
680
460
720