湖南科技大学 机械工程材料课件

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机械工程材料MechanicalEngineeringMaterials2

第3章二元合金相图与铁碳合金

本章目录3.1二元合金相图的建立及意义3.2二元合金相图的基本类型3.3合金性能与相图之间的关系3.4铁碳合金的基本组织3.5Fe-Fe3C相图3.6钢铁材料生产简介3.7碳钢3

3.1二元合金相图的建立及意义相图是表示合金中的组织状态与温度、成分间关系的图形。纯金属相图是用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来的图形。二元合金相图是以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图形。纯铜的冷却曲线及相图Cu-Ni合金相图4

以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法建立相图的过程。①配制一系列成分不同的Cu-Ni合金。②用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线。③找出各冷却曲线上的临界点。④将各个合金的临界点分别标

注在温度—成分坐标图中相

应的合金线上。⑤连接各相同意义的临界点，

所得的线称为相界线。二元合金相图的建立5

在多相体系中，每个组元在各相中的化学势都必须相等，各相才处于平衡状态，因此处于平衡状态的多元体系中可能存在的相数将有一定的限制。按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f为体系的自由度数．它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。相律及其在相图中的应用相律用以说明合金或其他材料在平衡结晶过程中温度和相成分的变化。6杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。设C合金中液相含量为ωL，固相α为ωα，则：杠杆定律及其应用合金中的含镍量等于液固两相中镍之和7如果将合金I成分C的r点看作支点，将和看作是作用于a和b的力，则按力学杠杆原理可得出：故称为杠杆定律。据此可求得两平衡相的相对量分别为：二元合金相图的建立运用杠杆定律时要注意,它只适用于相图中的两相区,并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,而支点为合金的成分点。83.2二元合金相图的基本类型

3.2.1匀晶相图及杠杆定律

3.2.2共晶相图

3.2.3包晶相图

3.2.4具有共析反应的相图

3.2.5含有稳定化合物的相图9凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。由液相结晶出均一固相的过程就称为匀晶转变。3.2.1匀晶相图及杠杆定律Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析10（1）相图分析点：图中tA

为纯铜的熔点；tB为纯镍的熔点。线：tA

L3

L2

L1tB为液相线，tA

α3α2α1tB为固相线。相区：L相区、α相区、L+α相区。3.2.1匀晶相图及杠杆定律113.2.1匀晶相图及杠杆定律（2）典型合金结晶过程分析当合金自高温液态缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，随着温度的下降，α固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少。直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的α固溶体。Cu-Ni合金固溶体的显微组织12（3）杠杆定律的应用任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t温度时，液相成分为x1%Ni，固相成分为x2%Ni。在这一温度下，已结晶出的固相α和剩余液相L的相对量分别是：3.2.1匀晶相图及杠杆定律或杠杆定律的应用13共晶转变：二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同时结晶出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。二元共晶相图：凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的的相图属于二元共晶相图。3.2.2二元共晶相图14（1）相图分析①简单共晶相图在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图。tA

、tB为组元A、B的熔点，C为共晶点。tACtB为液相线，DCF为固相线，也是共晶线。相区：L相区、L+A相区、L+B相区、A+B相区。3.2.2二元共晶相图简单共晶相图15

②一般共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。3.2.2二元共晶相图Pb-Sn合金相图Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si16图形特点三种相：Pb与Sn形成的液溶体L相,Sn溶于Pb中的有限固溶体α相,Pb溶于Sn中的有限固溶体β相。三个单相区:L、α、β

三个两相区：L+α、L+β、α+β一条三相共存的线。

共晶反应：共晶成分的液态金属，缓慢冷却到cde水平线所对应的温度（共晶温度）时，同时结晶出成分为c的α相和成分为e的β相，此结晶过程为恒温下进行。17cf

线为Sn在Pb中的溶解度线(或α相的固溶线)。温度降低,固溶体的溶解度下降。Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时,从α相中析出β相以降低α相中Sn含量。从固态α相中析出的β相称为二次β,写作βII

。这种二次结晶可表达为：α→βII。eg线为Pb在Sn中溶解度线(或β相的固溶线)。Sn含量小于g点的合金,冷却过程中同样发生二次结晶,析出二次α。

结晶特点①合金Ⅰ18合金Ⅰ的结晶过程＜19.2%Sn的Sn--Pb组织(200×)1～2点

发生匀晶结晶过程,至2点温度完全结晶成α固溶体；2～3点

α相冷却；3～4点

Sn在α中的溶解度沿cf线降低,从α中析出βII,到室温时α中Sn含量逐渐变为f点。最后合金得到的组织为α+βII

。其组成相是

f点成分的α相和g点成分的β相。

运用杠杆定律,两相的质量分数为：合金室温组织由α和βII组成,α和βII即为组织组成物。2023/1/3119②合金Ⅱ2023/1/3120合金Ⅱ的结晶过程冷却到1点温度,发生共晶反应：L→(α+β)

,经一定时间到1’时反应结束,全部转变为共晶体(α+β)。从共晶温度冷却至室温时,共晶体中的α和β均发生二次结晶,从α中析出二次β,从β中析出二次α。α的成分由c点变f点,β的成分由e点变为

g点。由于析出的二次β和二次α

都相应地同β和α相连在一起,共晶体的形态和成分不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体(α+β),即只含一种组织组成物;其组成相仍为α和β相。21Pb--Sn共晶合金的室温组织(100×)③合金Ⅲ2023/1/31221～2点

L→α，匀晶反应生成初生α固溶体。初生α的成分沿

ac线变化,液相成分沿ad

线变化;初生α逐渐增多，液相逐渐减少。2～2’点

刚冷却到2点温度时,合金由c点成分的初生α相和d点成分的液相组成。然后液相进行共晶反应,但初生α相不变化。共晶反应结束时,合金转变为α+(α+β)。2’～3点

初生α中不断析出二次β,成分由c点降至f点;共晶体形态、成分和总量保持不变。合金的室温组织为初生α+二次β+(α+β)。合金的组成相为α和β,它们的质量分数为：

2023/1/312324

不同的合金中，由于形状条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织。3.2.2二元共晶相图以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图25在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或包晶反应。两组元在液态下相互无限互溶、在固态下相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。3.2.3包晶相图Pt-Ag合金相图26（1）相图分析合金系中有三个相：液相L及固相α、β。其中α相是银溶于铂中的固溶体，β相是铂溶于银中的固溶体。三个单相区即L、α和β；三个两相区，即L+α，L+β和α+β；有一个三相共存的水平线，即PDC线，在水平线PDC上，液相L、固相α和β三相共存。包晶转变的特征是：反应相是一个液相和一个固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。相图中的D点称为包晶点，D点所对应的温度称为包晶温度，PDC线称为包晶线。27①含银量为42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅰ，成分为D），其平衡结晶过程示意图如下。

（2）典型合金的平衡结晶分析28

②含银量为10.5％～42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）合金的平衡结晶过程示意图如图所示。合金Ⅱ的平衡结晶过程29

③含银量为42.4％～66.3％的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）合金的平衡结晶过程示意图如图所示。合金Ⅲ的平衡结晶过程30在一定温度下，由一定成分的固相分解为另外两个一定成分的固相的转变过程，称之为共析转变或共析反应。在相图上，这种转变与共晶转变相似，都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布也一样，反应相成分分布在两转变产物的中间。所不同的是共析转变的反应相是固相，而不是液相。由于是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细密。共析相变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁及铁合金的热处理就是建立在共析转变的基础上。

3.2.4具有共析反应的相图31323.2.5含有稳定化合物的相图在某些二元系合金中，组元间可能形成一些稳定的金属化合物。稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。33在分析这类相图时,可把稳定化合物看成为一个独立的组元,并将整个相图分割成几个简单相图。因此,Mg-Si相图可分为Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个相图来进行分析。合金的性能取决于它的成分和组织,相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。因此,具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系。

343.3合金性能与相图之间的关系3.3合金性能与相图之间的关系合金的性能取决于合金的化学成分和组织。在一定的条件下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，因而相图与合金的性质必然存在一定的联系。3.3.1合金的使用性能与相图之间的关系合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性能等。35相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系3.3.1合金的使用性能与相图之间的关系36合金的使用性能与相图的关系

●固溶体中溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。当溶质原子含量大约为50%时，晶格畸变最大，性能达到极值，性能与成分的关系曲线具有透镜状。

●两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化。组成相或组织组成物越细密，强度越高(见图中虚线)。当形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。

373.3.2合金的工艺性能与相图之间的关系相图与合金铸造性能之间的关系38合金的铸造性能纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，结晶温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。

393.4铁碳合金的基本组织

由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。

(1)铁素体概念：碳溶入α-Ｆe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。晶格：铁素体仍具有α-Fe的体心立方晶格。溶解度：碳在α-Fe中的溶解度小，727℃时溶解度最大为0.0218%，室温时几乎位零。403.4铁碳合金的基本组织性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。组织：多边形晶粒。

（2）奥氏体概念：碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体存在于727℃以上。晶格：奥氏体具有γ-Fe的面心立方晶格。

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溶解度：γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2.11%。

性能：奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好，易锻压成形。

组织：多边形晶粒，晶粒内有孪晶。3.4铁碳合金的基本组织42

（3）渗碳体概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式Fe３C表示。性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。作用：渗碳体是钢中主要的强化相，它的数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。3.4铁碳合金的基本组织43

（4）珠光体概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。组织：在显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。3.4铁碳合金的基本组织44

（5）莱氏体

概念：碳含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727℃以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld′表示。性能：莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。3.4铁碳合金的基本组织453.5Fe-Fe3C相图

铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。464748

3.5.13.5Fe-Fe3C相图49

3.5Fe-Fe3C相图50

3.5Fe-Fe3C相图51

3.5Fe-Fe3C相图523.5.2铁碳合金的分类533.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织

（1）共析钢：室温组织为珠光体(P)。

（2）亚共析钢：室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。

543.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织

（3）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3CⅡ)。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。

（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。

553.5.3典型铁碳合金的结晶过程及组织

（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。

（6）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体(Ld′+Fe3CⅠ)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。3.5.4典型铁碳合金的含量计算56相含量的计算组织含量的计算573.5.5碳含量对铁碳合金室温平衡组织及力学性能的影响

（1）碳含量对室温平衡组织的影响：不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。

（2）含碳量对力学性能的影响：钢中渗碳体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧性相应降低。当钢中碳的质量分数小于0.9%时，强度达到最大值，当钢中碳的质量分数大于0.9%时，强度也明显下降。583.5.6铁碳相图的应用

（1）选材需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料,选用碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料,应选用碳含量适中的中碳钢工具要用硬度高和耐磨性好的材料,则选碳含量高的钢种。纯铁的强度低,不宜用做结构材料,但由于其导磁率高,矫顽力低,可作软磁材料使用,例如做电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。

（2）制订热加工工艺铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。59603.6钢铁材料生产简介

钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁，再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。

（1）炼铁铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的化合物混合在一起形成矿石，炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。613.6钢铁材料生产简介

炼铁的基本过程：炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。铁矿石主要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；熔剂燃料主要是焦炭；熔剂主要是富含碱性氧化物的石灰石等。在炼铁过程中要将铁矿石、燃料和熔剂等炉料按照一定的比例加入到炼铁高炉中，经过一系列的冶炼过程即可得到铁的系列产品。623.6钢铁材料生产简介

炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的热量为鉄的冶炼提供了所需的热量；同时，高温下的焦炭及其燃烧后生成的CO气体还起到还原剂的作用，前者称为直接还原，后者称为间接还原。高炉炼铁时，高温焦炭和CO不断地把铁从铁矿石中还原出来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的Si、Mn、S、P等杂质元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料使用。633.6钢铁材料生产简介

（2）炼钢炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中多余的C以及Si、Mn、S、P等杂质元素，使化学成分达到钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法和电炉炼钢法。在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。

在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以便进行加工和使用。

643.6钢铁材料生产简介

（3）钢材生产

型材和板材：在实际生产中，通常是将钢锭通过一系列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。

653.6钢铁材料生产简介

（3）钢材生产

管材：根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管材和无缝管材两种。通过成型辊将钢带弯成管形，再通过焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制形成所需尺寸的管材称为无缝管材。663.6钢铁材料生产简介

（3）钢材生产

线材：直径在6mm以下的线材多采用拉丝机进行生产，使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用下拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属材料会产生加工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以便进行下次的拉拔加工。

673.7碳钢

碳的质量分数小于2.11%,并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。

（1）碳钢的分类①根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。低碳钢：碳的质量分数小于或等于0.25%；中碳钢：碳的质量分数为0.25～0.60%；高碳钢：碳的质量分数大于0.60%。68

③根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。

碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。

碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。

碳素铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。

3.7碳钢普通碳素钢ωp≤0.045%ωs≤0.055%优质碳素钢ωp≤0.040%ωs≤0.040%高级优质碳素钢ωp≤0.035%ωs≤0.030%②根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分为三类：普通质量钢；优质钢；高级优质钢。69

(2)碳钢的牌号、性能及用途

①碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用A、B、C、D表示。“F”表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；“Z”表示镇静钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和“TZ”符号可省略。例如：Q235-A·F，牌号中“Q”代表屈服点“屈”字的汉语拼音首位字母，“235”表示屈服点σS≥235MPa，“A”表示质量等级为A级，“F”表示沸腾钢(冶炼时脱氧不完全)。3.7碳钢70

常用钢及应用：

Q195、Q215、Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以Q235应用最广。

Q235C、Q235D质量好，用作重要的焊接结构件。

Q255、Q275强度较高，可用作受力较大的机械零件。碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但也可根据需要进行热加工和热处理。

3.7碳钢71

②优质碳素结构钢其牌号用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数的万倍数。例如45钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.45%。若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰元素的符号“Mn”。例如65Mn钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.65%，含锰量较高(为0.9%~1.2%)。若为沸腾钢，在两位数字后面加符号“F”，例如08F钢。

08F钢：是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。一般由钢厂轧成薄钢板或钢带供应。主要用于制造冷冲压件，如外壳、容器、罩子等。

3.7碳钢72

10~25钢：属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，并具有良好的冷冲压性能和焊接性能。常用于制造冷冲压件和焊接构件，以及受力不大、韧性