金属材料基础知识

金属材料基础知识

目录

1.纯金属的结构与结晶.........................................................2

1.1.金属的晶体结构.........................................................2

1.2.金属的结晶..............................................................2

1.2.1.冷却曲线和过冷现象.................................................2

1.2.2,结晶过程...........................................................3

1.3.金属的同素异构转变.....................................................3

2.合金的结构和结晶...........................................................3

2.1.合金的相结构............................................................3

2.1.1.固溶体..............................................................3

2.1.2,金属化合物..........................................................4

2.2.二元合金状态图.........................................................4

3.铁一碳相图...................................................................5

3.1.铁一碳相图..............................................................5

3.2.金属组织................................................................6

4.金属材料基本知识.............................................................7

4.1.概述....................................................................7

4.2.意义...................................................................7

4.3.种类...................................................................8

4.4.性能...................................................................8

5.金属材料特性.................................................................9

5.1.疲劳....................................................................9

5.2.塑性..................................................................10

5.3.耐久性.................................................................10

5.4.硬度..................................................................11

6.力学性能...................................................................12

6.1.强度...................................................................12

6.2.塑性..................................................................13

6.3.韧性..................................................................14

6.4.疲劳性能..............................................................14

7.化学性能...................................................................15

8.物理性能...................................................................15

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9.工艺性能16

1.纯金属的结构与结晶

1.1.金属的晶体结构

金属在固态下都是晶体。金属的性能、塑性变形和热处理相变都与晶体结

构有关。金属中最常见的晶格有三钟：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六

方晶格。晶体缺陷根据几何形态可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

金属从液体状态转变为固体（晶体）状态的过程叫做金属的结晶。

1.2.1.冷却曲线和过冷现象

物质冷却过程中温度和时间的关系曲线叫冷却曲线。金属结晶的冷却曲线

可用热分析法测定，其测定过程如下：先将金属熔化并使温度尽可能均匀，然

后以一定的速度冷却，记录下温度随时间变化的数据，并将其绘制在温度-时间

坐标中，便可获得如图1所示的冷却曲线。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了

金属向外界散失的热量，冷却曲线上出现了一段水平线，这段水平线所对应是

温度就是金属的实际结晶温度。实验表明，金属的实际结晶温度T1总是低于

理论结晶温度（平衡结晶温度）TO,这种现象叫做过冷。过冷是结晶的必要条

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1.2.2.结晶过程

结晶过程是形核及晶核长大的过程。

1.3.金属的同素异构转变

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为

同素异构转变。具有同素异构转

变的金属有铁、钻、钛、锡、镒等。以不同晶格形式存在的同一金属元素

的晶体称为该金属的同素异晶体。

2.合金的结构和结晶

相：指合金（或纯金属）中具有同一成分、结构、性能，并以界面互相分开

的均匀的组成部分。

2.1.合金的相结构

根据构成合金的各元素之间的相互作用，合金中的相结构可以分为固溶体

和金属化合物两大类型。

2.1.1.固溶体

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当液态合金凝固后，组元之间仍能互相溶解，形成在某种元素的晶格中溶

有其它元素原子的相，这种相就称为固溶体。

2.1.2.金属化合物

金属化合物，是指合金中的两个元素或更多种元素，按一定的原子数量之

比相互化合，而形成的具有与这几种元素完全不同类型晶格的化合物。金属化

合物晶格一般比较复杂。通常它们具有高的硬度、熔点和脆性，因此，不能直

接使用。金属化合物在合金中一般起强化作用。

各种元素发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。

金属化合物的组成一般可用化学式表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组

元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合

金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降

低。金属化合物是许多合金的重要组成相。

有机金属化合物指一类有碳直接和金属组成键的化合物。由于不同金属的

特性，此键稳定性不同。例如格林尼亚试剂里的镁原子直接和碳链相连，再加

上碳比镁的电负性高；于是邻近镁原子的那个碳原子就积聚了较多负电荷，导

致这根碳一镁键极具反应活性。

2.2.二元合金状态图

合金状态图又称合金平衡图或合金相图，是表示在平衡条件下合金的状态

和温度、成分之间的关系图解。它反映了合金系中不同成分的合金在无限缓慢

加热或冷却时的组织变化规律，是选择合金成分、分析合金的显微组织、研究

合金的性能和制定铸造、锻造、热处理工艺的重要依据。

(1)匀晶状态图：两组元在液态和固态都能无限互溶的状态图。

这类合金凝固时都从液相结晶出固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。

(2)共晶状态图：两组元在液态完全互溶，并具有共晶转变的状态图。

共晶转变：在一定温度下，从一定成分的均匀液相中同时结晶出成分一定

的两种固相的转变。

(3)包晶状态图：两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体，并

且有包晶转变的状态图。

包晶转变：在恒温下，一定成分的液相和它所包围的已结晶出来的一定成

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分的固相作用，形成另一个成分的新固相的转变过程。

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3.铁一碳相图

3.1.铁一碳相图

钢是一定成分范围的铁碳合金，铁碳合金相图表示不同成分的铁碳合金在

不同温度下的不同平衡组织，如图Fe-Fe3c相图所示。

由Fe-Fe3c相图可以查出一定成分的铁碳合金发生平衡相变的温度，即临

界点；可以预测出在不同温度区域发生的相变过程和冷却到常温时可能得到的

平衡组织。铁碳合金相图中各特性点说明见表Fe-Fe3c相图中的几个特性点，

各特性线说明见表Fe-Fe3c相图中的特性线。

根据铁碳合金相图，含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁。根据

组织特征，从铁碳合金相图中将铁碳合金按含碳量多少分为七大类：

(1)工业纯铁，含碳量＜0.0218%；

(2)共析钢，含碳量0.77%；

(3)亚共析钢，含碳量0.0218%〜0.77%；

(4)过共析钢，含碳量0.77%〜2.11%；

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（5）共晶白□铸铁，含碳量4.30%；

（6）亚晶白口铸铁，含碳量2.11%〜4.30%；

（7）过晶白口铸铁，含碳量4.30%〜6.69%；

3.2.金属组织

金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度

的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列

的固体（即晶体）。

合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物

质。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，

使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。

化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固

态结构。

机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，

却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。

渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（FesC）。

珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）

莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）

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（上图为铁碳相图各阶段对应的金属组织）

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理

一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组

织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善

工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用

材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应

用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热

处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通

过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

4.金属材料基本知识

4.1.概述

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统

称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金

属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料。）

4.2.意义

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人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后

出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现

代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

4.3.种类

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

(1)黑色金属，又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%-

4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、

高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括格、铳及其合金。

(2)有色金属，是指除铁、格、锌以外的所有金属及其合金，通常分为轻金

属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬

度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

(3)特种金属材料，包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有

通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料

等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及

金属基复合材料等。

4.4.性能

一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制

造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工

艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不

同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、

切削加工性等。

所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它

包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它

的使用范围与使用寿命。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和

非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷

的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能(过去也称为

机械性能)。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载

荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等)，对金属材料要求的

力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多

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次冲击抗力和疲劳极限等。

5.金属材料特性

5.1.疲劳

许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用

下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以

后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断

裂的特点是：

(1)载荷应力是交变的；

(2)载荷的作用时间较长；

(3)断裂是瞬时发生的；

(4)无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。所以，疲劳

断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。

金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：

#1

身周疲劳

指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限)条件下，

应力循环周数在100000以上的疲劳，它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳

一般简称为疲劳。

#2

低周疲劳

指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下，应力循环周

数在10000〜100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主

要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。

#3

热疲劳

指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。

#4

腐蚀疲劳

指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同

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作用下，所产生的疲劳破坏。

#5

接触疲劳

这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或

表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。

5.2.塑性

塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被

破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，

金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来

衡量。

金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能

承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑

性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰

口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑

性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零

件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲

压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定

的塑性指标。

5.3.耐久性

建筑金属腐蚀的主要形态：

（1）均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此，常用年平均的厚度

减损值作为腐蚀性能的指标（腐蚀率）。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。

（2）孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处

介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指

标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。

（3）电偶腐蚀。不同金属的接触处，因所具不同电位而产生的腐蚀。

（4）缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域常发生由于不同部位间介质

的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀。

（5）应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下，金属表面产生腐蚀并

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向内扩展成微裂纹，常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋（钢丝）可能发生

这种破坏。

5.4.硬度

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指

标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度

和维氏硬度。

布氏硬度（HB）：以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为

10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积

之比值，即为布氏硬度值（HB）,单位为公斤力/mm2（N/mm2）。

洛氏硬度（HR）：当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改

用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120。的金刚石圆锥体或直径为1.59、

3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的

硬度。根据试验材料硬度的不同，可采用不同的压头和总试验压力组成几种不

同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注

明。常用的洛氏硬度标尺是A,B,C三种（HRA、HRB、HRC）。其中C标尺应

用最为广泛。

HRA：是采用60kg载荷钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料

（如硬质合金等）。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于

硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。

HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材

料（如淬火钢等）。

维氏硬度（HV）：以120kg以内的载荷和顶角为136。的金刚石方形锥压入

器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值

（HV）o硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度

试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关

系。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的

相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材

料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。

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金属材料的性能

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能

主要分为四个方面，即：力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

6.力学性能

应力：物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力

称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力(例如

组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力)。

力学性能：金属在一定温度条件下承受外力(载荷)作用时，抵抗变形和断

裂的能力称为金属材料的机械性能(也称为力学性能)。金属材料承受的载荷有

多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉

伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等

等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项。

6.1.强度

这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度

极限(。口、抗弯强度极限(obb)、抗压强度极限(obc)等。由于金属材料在外力

作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即

把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，

测定的强度指标主要有：

(1)强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用

下的抗拉强度极限，以。b表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极

限，常用单位为兆帕(MPa),换算关系有：lMPa=lN/m2=2kgf/mm2或

9.8

2

lkgf/mm=9.8MPao

(2)屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然

应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料

承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产

生屈服时的应力称为屈服强度极限，用。s表示，相应于拉伸试验曲线图中的S

点称为屈服点。对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对

于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极

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限。因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变

形时的应力作为条件屈服极限，用o0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件

在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求

屈强比(即。s/ob)要小，以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低

了。

(3)弹性极限：材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原

状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应

于拉伸试验曲线图中的e点，以oe表示，单位为兆帕(MPa)：oe=Pe/Fo式中

Pe为保持弹性时的最大外力(或者说材料最大弹性变形时的载荷)。

(4)弹性模数：这是材料在弹性极限范围内的应力a与应变3(与应力相对

应的单位变形量)之比，用E表示，单位兆帕(MPa)：E=o/3=tga。式中a为拉

伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指

标(金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。

6.2.塑性

金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常

以拉伸试验时的试样标距长度延伸率3(%)和试样断面收缩率中(%)

延伸率8=[(Ll-L0)/L0]xl00%

这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始

标距长度L0之差(增长量)与L0之比。在实际试验时，同一材料但是不同规格

(直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度)的拉伸试样测得的延伸

率会有不同，因此一般需要特别加注，例如最常用的圆截面试样，其初始标距

长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为85,而初始标距长度为试样直径

10倍时测得的延伸率则表示为310。

断面收缩率ip=[(F0-Fl)/F0]xl00%

这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差

(断面缩减量)与F0之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量

进行计算：

ip=[l-(Dl/D0)2]xl00%

式中：D0-试样原直径；D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。3与小值越大，

表明材料的塑性越好。

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6.3.韧性

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试

验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷

而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：

ak=Ak/F

单位J/crM或kg-m/cm?,lkg-m/cm2=9.8J/cm2oak称作金属材料的冲击

韧性，Ak为冲击功，F为断口的原始截面积。

6.4.疲劳性能

疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一

般均小于屈服极限强度os）,未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或

疲劳断裂，这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于os甚至大于ob的

应力（应力集中），使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次

数的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力

的实际截面积减小，直至局部应力大于ob而产生断裂。在实际应用中，一般

把试样在重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下，在规

定的周期数内（一般对钢取106〜107次，对有色金属取108次）不发生断裂所能

承受的最大应力作为疲劳强度极限，用bi表示，单位MPa。

除了上述几种最常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料，例

如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料，还会要求下述一些力学性能

指标。

蠕变极限：在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间缓慢产生塑性变形

的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷

下，试样在规定时间内的蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度

相对恒定的阶段，蠕变速度不超过某规定值时的最大应力，作为蠕变极限，以

表示，单位MPa,式中T为试验持续时间，t为温度，3为伸长率，o为应力；

或