建筑结构材料的物理力学性能
建筑结构结构材料力学性能.
在规定的循环次数（200万次）和荷载变 幅下，材料所能承受的最大动态应力称为疲 劳强度。
材力“疲劳极限” 经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破
坏之最大应力。
6.徐变（蠕变）与应力松驰
在温度和作用应力 不变的情况下，应变或 变形随时间而增加的现 象称为徐变（蠕变）。
在温度和应变不变 的情况下，应力随时间 而减小的现象称为应力 松驰。
第三章 建筑结构材料力学性能
一.材料力学性能指标
1.强度指标 （抗拉、抗压）
屈服点 比例极限
强度极限
r 0.2
名义屈服点 冷作硬化
塑性材料
0.2%
脆性材料
钢材的冷加工 冷拉
常 温 ---20d ， 100℃---2h
●冷拉（时效）硬化 ●抗拉强度提高 ●塑性降低 ●不提高抗压强度 ●先焊后拉 ●不得作吊环
ak Wk
冲击韧性试验
（a）夏比试件 （b）梅氏试件
4.冷弯性能
冷弯试验示意图
钢筋延伸率及冷弯性能要求
钢筋级别
HPB235 HRB335 HRB400
5
冷
弯 冲头直径
25% 180° 1D
16% 180° 3D
14% 90° 3D
RRB400 10% 90° 5D
5.疲劳强度
结构构件在变幅（△ = max-min）一定的 循环荷载作用下，当达到一定的循环次数n时， 便发生脆性破坏，且破坏应力远小于s或b， 这种现象称为疲劳破坏。
-曲线
冷拔
●截面变小长度增长 ●抗拉抗压强度提高 ●塑性显著降低 ●无明显屈服点
-曲线
2.塑性指标 ◆延伸率
l1 l0 100%l0<来自%为脆性材料 ≥5%为塑性材料
结构材料的力学性能资料
三、钢筋与混凝土相互作用
（一）. 粘结力
胶合力
钢
筋
摩擦力
机械咬合力
主要作用
带肋钢筋的机械咬合力 > 光圆钢筋的机械咬合力 注意：钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力
（2）粘结应力分析 (以拉拔试验为例)
由试验可知： （1）最大粘结应力在离开端 部的某一位置出现，且随拔 出力的大小而变化，粘结应 力沿钢筋长度是曲线分布； d P （2）钢筋的埋入长度越长， 拔出力越大，但埋入长度过 大时，则其尾部的粘结应力 很小，基本不起作用； （3）粘结强度随混凝土强度 等级的提高而增大； （4）带肋钢筋的粘结强度高 于光圆钢筋，而在光圆钢筋 末端做弯钩大大提高拔出力
P
土的应变随时间继续增
长的现象被称为徐变。
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素
•应力： c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变 0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变 c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 •加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大 •水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大 •骨料越硬，徐变越小
解：1、直径为28mm>25mm,锚固长度需乘以修正系数取1.1；
2、 钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配 有箍筋，锚固长度需乘以修正系数取0.8；
3、实配钢筋较多，需乘以1/1.05
故：
la lab 1.1 0.8
fy ft
d
1 360 0.14 32 663m m 1.05 2.04
纵向受力钢筋为HRB400级，直径为28mm，求纵 向受拉钢筋的锚固长度。
建筑结构材料的物理力学性能
6
中高强钢丝和钢绞线
中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三 种。另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
多功能性 可以制得不同物理力学性质的混凝土，基本上能满足所有不同工
程的要求。
可加工性 可以按照工程结构的要求，浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或
预制构件。
和钢筋的兼容性 钢筋等有牢固的粘结力，与钢材有基本相同的线膨胀系数，能制
作钢筋混凝土结构和构件。
低能耗性 能源消耗较烧结砖及金属材料低，能耗大约是钢材的1/90。
有在春秋战国时期就已兴修水利如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程所55在1400年前由料石修建的现存河北赵县的安济桥这是世界上最早的单孔敞肩式石拱桥桥长5082m宽约9m为拱上开洞既可节约石材且可减轻洪水期的水压力它无论在材料使用结构受力艺术造型和经济上都达到了相当高的成就该桥已被美国土木工程学会选入世界第12个土木工程里程碑
3.1 建筑钢材
钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性： 1．轻质高强 2．韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高 3．可焊接、铆接、易于装配 4．外表轻巧、华美、具有光泽 5．易腐 6．耐火性差
1
1、建筑结构常用的钢材类别
（1）结构钢材种类：
碳素钢
按含碳量不同可分为：
低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%） 高碳钢（含碳量在0.6%～1.4%）
建筑工程试验方案
建筑工程试验方案一、前言二、试验目的1.测试建筑材料的物理、力学性能，包括抗压、抗弯、抗拉强度等指标。
2.评估建筑结构的受力性能，包括承载力、刚度、稳定性等指标。
3.验证建筑材料和结构的适用性，确保其在实际使用中不会出现失效或安全隐患。
三、试验内容本试验方案包括以下方面的试验：1.建筑材料试验：2.建筑结构试验：b.刚度试验：根据实际需要，进行建筑结构的水平或垂直刚度测试，以评估结构的稳定性和行为。
c.稳定性试验：根据实际需要，进行建筑结构的稳定性测试，以评估结构在外部作用下的安全性和稳定性。
四、试验方法及步骤1.建筑材料试验方法：a.抗压强度试验：使用压力机进行试验，按照标准要求进行加载，记录和计算抗压强度的平均值。
b.抗弯强度试验：使用弯曲试验机进行试验，按照标准要求进行加载，记录和计算抗弯强度的平均值。
c.抗拉强度试验：使用拉伸试验机进行试验，按照标准要求进行加载，记录和计算抗拉强度的平均值。
d.压缩强度试验：使用压力机进行试验，按照标准要求进行加载，记录和计算抗压强度的平均值。
2.建筑结构试验方法：a.承载力试验：根据设计要求进行荷载施加，记录结构的变形和荷载的变化，计算结构的承载力。
b.刚度试验：按照实际需求进行水平或垂直加载，记录结构的变形和荷载的变化，计算结构的刚度。
c.稳定性试验：根据设计要求进行加载，记录结构的变形和荷载的变化，评估结构的稳定性和安全性。
五、试验设备和器材1.建筑材料试验设备：压力机、弯曲试验机、拉伸试验机等。
2.建筑结构试验设备：加载设备、位移测量设备、荷载传感器、数据采集器等。
六、试验安全措施1.试验过程中应严格遵守相关安全操作规程，确保试验人员和设备的安全。
2.针对各种试验中可能出现的危险情况，采取相应的安全防护措施，如穿戴个人防护装备、设置安全警示标示等。
3.在试验前进行试验设备和器材的检查和维护，确保设备的正常运行和安全性。
七、数据处理和分析1.对试验结果进行数据整理和汇总，计算各项指标的平均值和标准偏差。
建筑材料质量检测的主要方法有哪些
建筑材料质量检测的主要方法有哪些一、外观检测外观检测是最直观、最简单的质量检测方法之一。
通过肉眼观察建筑材料的外观，包括颜色、形状、尺寸、表面平整度、有无裂缝、瑕疵等，可以初步判断材料的质量。
例如，对于钢材，检查其表面是否有锈蚀、裂纹、折叠等缺陷；对于砖块，查看其颜色是否均匀、边角是否整齐、有无裂缝等。
外观检测虽然简单，但能快速发现一些明显的质量问题。
二、物理性能检测1、密度检测密度是建筑材料的重要物理性能之一。
常用的密度检测方法有排水法和比重瓶法。
排水法适用于较大体积的材料，如砖块、石材等；比重瓶法适用于小颗粒或粉末状材料，如水泥、砂等。
2、孔隙率检测孔隙率反映了材料内部孔隙的多少。
通过测量材料的体积和真实体积，可以计算出孔隙率。
孔隙率对材料的吸水性、保温性等性能有重要影响。
3、吸水率检测吸水率是指材料在吸水饱和状态下吸收水分的质量与干燥材料质量的比值。
对于砖块、石材、木材等材料，吸水率是一个重要的质量指标。
4、硬度检测硬度检测可以评估材料的抗压、抗磨损能力。
常见的硬度检测方法有布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法等。
三、力学性能检测1、抗拉强度检测抗拉强度是衡量材料抵抗拉伸破坏能力的重要指标。
对于钢材、钢筋等金属材料，通常采用拉伸试验机进行抗拉强度检测。
2、抗压强度检测抗压强度是材料在压力作用下抵抗破坏的能力。
混凝土、砖块等材料的抗压强度检测通常采用压力试验机。
3、抗弯强度检测抗弯强度反映了材料在弯曲作用下的承载能力。
对于木材、板材等材料，常用三点弯曲或四点弯曲试验来检测抗弯强度。
4、冲击韧性检测冲击韧性用于衡量材料在冲击载荷下吸收能量和抵抗破坏的能力。
通过冲击试验机对材料进行冲击试验，可以得到冲击韧性值。
四、化学分析检测1、成分分析通过化学分析方法，确定建筑材料的化学成分。
例如，对水泥进行化学分析，可以检测其主要成分如氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝等的含量，从而判断水泥的质量和类型。
2、有害物质检测检测建筑材料中是否含有有害物质，如甲醛、苯、放射性元素等。
第1章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能
第一篇钢筋混凝土结构第1章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。
混凝土（砼）是一种人造石料，其抗压能力很高，而抗拉能力很弱。
采用素混凝土制成的构件（指无筋或不配置受力钢筋的混凝土构件），例如素混凝土梁，当它承受竖向荷载作用时[图1-1a）]，在梁的垂直截面（正截面）上受到弯矩作用，截面中和轴以上受压，以下受拉。
当荷载达到某一数值F c时，梁截面的受拉边缘混凝土的拉应变达到极限拉应变，即出现竖向弯曲裂缝，这时，裂缝处截面的受拉区混凝土退出工作，该截面处受压高度减小，即使荷载不增加，竖向弯曲裂缝也会急速向上发展，导致梁骤然断裂[图1-1b）]。
这种破坏是很突然的。
也就是说，当荷载达到F c的瞬间，梁立即发生破坏。
F c为素混凝土梁受拉区出现裂缝的荷载，一般称为素混凝土梁的抗裂荷载，也是素混凝土梁的破坏荷载。
由此可见，素混凝土梁的承载能力是由混凝土的抗拉强度控制的，而受压混凝土的抗压强度远未被充分利用。
在制造混凝土梁时，倘若在梁的受拉区配置适量的纵向受力钢筋，就构成钢筋混凝土梁。
试验表明，和素混凝土梁有相同截面尺寸的钢筋混凝土梁承受竖向荷载作用时，荷载略大于F c时的受拉区混凝土仍会出现裂缝。
在出现裂缝的截面处，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将可承担几乎全部的拉力。
这时，钢筋混凝土梁不会像素混凝土梁那样立即裂断，而能继续承受荷载作用[图1-1c）]，直至受拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎，梁才破坏。
因此，混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度都能得到充分的利用，钢筋混凝土梁的承载能力可较素混凝土梁提高很多。
图1－1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁a)受竖向力作用的混凝土梁b)素混凝土梁的断裂c)钢筋混凝土梁的开裂混凝土的抗压强度高，常用于受压构件。
若在构件中配置钢筋来构成钢筋混凝土受压构件，试验表明，和素混凝土受压构件截面尺寸及长细比相同的钢筋混凝土受压构件，不仅承载能力大为提高，而且受力性能得到改善（图1-2）。
建筑结构分析
建筑结构分析建筑结构是指建筑物所依靠的支撑系统，它直接决定了建筑物的稳定性和安全性。
建筑结构分析是通过对建筑结构的力学性质和力学行为进行研究，以评估和优化建筑物的结构性能。
本文将从几个主要方面对建筑结构分析进行探讨。
一、材料力学性能分析在建筑结构设计中，材料的力学性能是至关重要的。
不同的材料具有不同的特性，包括抗拉强度、压缩强度、弹性模量等。
通过对材料的力学性能进行分析，可以确定材料是否适合用于建筑结构，并且合理选择材料以满足建筑物的需求。
二、受力分析建筑结构分析的核心是对受力情况的研究。
通过分析建筑物所承受的外力和内力，我们可以了解建筑物在不同工况下的受力情况，并评估结构的稳定性和安全性。
常见的外力包括风力、地震力和荷载等，而内力包括轴力、弯矩和剪力等。
三、结构模型的建立为了对建筑结构进行分析，需要建立相应的结构模型。
结构模型是对真实建筑结构的抽象表示，可以采用不同的方法进行建立，包括平面杆系模型、三维有限元模型等。
通过建立合适的结构模型，可以更好地进行受力分析和结构性能评估。
四、静力分析静力分析是对建筑结构中各种力的平衡和静力效应的分析。
通过静力分析，可以了解结构在静力平衡条件下的应力和变形情况，从而确定结构的稳定性和荷载承载能力。
常见的静力分析方法包括静平衡法、弹性分析法和刚性平衡法等。
五、动力分析动力分析是对建筑结构在地震、风力等动力荷载下的响应进行研究。
地震力是建筑结构设计中必须考虑的重要因素之一，合理的动力分析可以提高建筑物的抗震性能。
常见的动力分析方法包括模态分析、响应谱分析和时程分析等。
六、破坏性分析破坏性分析是对建筑结构在超过其承载能力时的破坏形态和破坏机理进行研究。
通过破坏性分析，可以预测建筑结构的破坏形式，从而采取适当的措施来提高结构的安全性。
常见的破坏性分析方法包括强度极限分析和变形极限分析等。
七、结构优化分析结构优化分析是对建筑结构进行改进和优化的研究。
通过结构优化分析，可以提高结构的受力性能、减小结构的材料消耗并降低工程成本。
建筑钢材的力学性能及其技术指标
建筑钢材的力学性能及其技术指标建筑钢材是指用于建筑结构中的钢材，它具有良好的力学性能和技术指标。
下面将介绍建筑钢材的力学性能及其技术指标。
一、建筑钢材的力学性能1.强度和刚度：建筑钢材具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受较大的外部载荷。
同时，由于其刚度大，具有较小的变形，能够满足建筑结构的稳定性要求。
2.塑性和韧性：建筑钢材具有良好的塑性和韧性，能够在受力时发生较大的塑性变形，吸收和耗散外部能量，减少结构的破坏和破裂。
3.耐久性：建筑钢材具有较好的耐久性，能够长期承受外界气候和环境的影响而不失去其力学性能。
4.焊接性能：建筑钢材具有良好的焊接性能，能够通过焊接工艺进行连接，形成结构稳定的整体。
5.疲劳性能：建筑钢材具有较好的疲劳性能，能够在反复加载下保持其强度和刚度，延长结构的使用寿命。
6.抗震性能：建筑钢材具有良好的抗震性能，能够在地震等自然灾害中发挥重要作用，减少人员伤亡和财产损失。
二、建筑钢材的技术指标1.材料标志和牌号：建筑钢材按照国家标准进行分类和命名，各种型号的钢材具有不同的技术指标和力学性能。
2.化学成分：建筑钢材的化学成分对其力学性能有重要影响，需要满足国家标准规定的要求。
3.技术要求：建筑钢材需要符合国家标准中对其材质、外观、尺寸、允许偏差等技术要求的规定。
4.制造工艺：建筑钢材需要通过特定的制造工艺来满足其设计要求，如轧制、锻造、热处理等。
5.力学性能指标：建筑钢材需要满足国家标准中规定的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击功等力学性能指标。
6.表面质量：建筑钢材的表面应光洁，无裂纹、缺陷和鳞片，能够满足建筑外观和防腐要求。
7.表面处理：建筑钢材可以进行防腐处理，如喷涂防锈剂、热镀锌等，以提高其抗腐蚀性能。
总结：建筑钢材具有良好的力学性能和技术指标，能够满足建筑结构的要求。
在实际应用中，需要根据具体的工程需求选择合适的建筑钢材，并进行相关的技术检验和验收，以确保其质量和安全性能。
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RRB
Bar Ribbed Hot-rolled
余热处理
Bar Ribbed Rolled
5
冷加工钢筋
是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。 冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工 后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应 根据专门规程使用。
热处理钢筋
4
（3）钢筋种类：
热轧钢筋
将碳素钢或低合金钢在高温下轧制而成。
电子教案简案, LiuLin, NJTU
1. 热轧钢筋 (Hot Rolled S光teel面Reinforcing Bar) 低碳钢
(1) 等级：
变形 普通低合金钢
HPB235级等(光级面：钢筋H，PIB级2，35) ；HRB335；HRB400；RRB400
3.1 建筑钢材
钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性： 1．轻质高强 2．韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高 3．可焊接、铆接、易于装配 4．外表轻巧、华美、具有光泽 5．易腐 6．耐火性差
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1、建筑结构常用的钢材类别
（1）结构钢材种类：
碳素钢
按含碳量不同可分为：
低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%） 高碳钢（含碳量在0.6%～1.4%）
冲击试验——冲击功Akv 抗脆断、抗动载能力
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（4）可焊性
——钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力 要求钢材具有可焊性，即钢材经过焊接后，仍能具有必需的塑
性和韧性（强度一般不会降低）。
可焊性检验方法： （1）抗裂性试验，按一定工艺要求焊接后，立刻将焊接后的钢料 制成研片进行观察，判断裂纹数量和大小是否在规定范围之内 （2）侧重使用性能的可焊性试验，焊接后的构件经过规定数量的 加载，再从指定部位取一定数量的小试件，进行冲击韧性试验， 看钢材是否变脆。
型钢——分热轧型钢和冷弯薄壁型钢
热轧型钢—工字钢，槽钢，角钢， H型钢， T型钢，圆管， 方管，圆钢。
3
冷弯薄壁型钢—C型钢，Z型钢，S型钢，压型板 用2-6mm厚薄钢板经冷弯或模压成型。广泛应用于轻型钢结构 中，用作屋檩等小荷载受力杆件。 薄壁型钢的截面和尺寸可按合理方案灵活设计，从而可充分利 用钢材强度，大大减小结构用钢量。以彩色压型钢板为屋面、 薄壁型钢为檩条的轻钢结构近年来在我国发展十分迅猛。
10
（2）塑性指标
塑性：荷载作用下钢材的变形能力。
延伸率——标距为10d或5d范围内的极限伸长率,记为δ10或δ5
L1 L0 100%
L0
11
冷弯性能——为了使钢筋在加工及使用期间不发生脆断,应具有一 定的冷弯性能,衡量冷弯性能用冷弯角和弯心直径。即将钢筋绕某
个规定直径d(弯心直径)的辊轴弯曲成一定角度a而不发生裂纹,脱
主要成分为铁和碳，此外还有少量磷，硫等有害元素。它们可使 变脆，塑性下降，可焊性降低。（注：含碳量↑强度↑塑性↓）
低合金钢
在碳素钢中加入少量稀有元素（Mn，Si，V，Ti），以改善钢筋的 力学性能。（注：合金量↑强度↑保持塑性）。例：锰系、钛系、硅 钒系等。
2
（2）钢结构用钢材规格：
钢板——热轧板，冷轧板； 薄板<6mm，厚板>40mm； 常用热轧板6～25mm， 冷轧板0.6～2mm。
s
µ¯ ÐÔ ±ä ÐÎ ee
e
²Ð Óà ±ä ÐÎ er
9
无明显流幅的钢材 fu
s0.2
a
0.2%
a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有 一定塑性变形，且没有明显的屈服点
强度设计指标——条件屈服强度
残余应变为0.2%所对应的应力
《规范》取s0.2 =0.85 fu
将特定强度热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理， 使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力 混凝土结构。
6
中高强钢丝和钢绞线
中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三 种。另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
8Leabharlann 两个强度指标：屈服强度fy ：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑
性变形，且在卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件 产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不 太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。
极限抗拉强度fu ：实际破坏强度 屈 强 比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。
¿Ì ºÛ ¸Ö Ë¿
D¡ª ¹« ³Æ Ö±¾¶ Aª¡ 3 ¹É ¸Ö ½Ê Ïß Á¿ ²â ³ß ´ç ¸Ö ½Ê Ïß
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¼Í 2-1 ³£ Óà ¸Ö ½î ÐΠʽ
7
2、建筑结构用钢的物理力学性能
（1）强度指标
有明显流幅的钢材
s
fu
b
fy a
a’
c
d
e f
e
鳞或脆断。显然弯心直径越小，冷弯角越大，冷弯性能越好。
冷弯试验——冷弯角a
冷加工性能 塑性变形能力 材质均匀性
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（3）冲击韧性 ——钢材在破坏过程中消耗机械功的能力
钢材的韧性与塑性有关，但不同于塑性。是强度和塑性的 综合表现。韧性指标由冲击试验获得。
试件
试件
梅氏试件 R=1.0
摆锤
夏比试件 R=0.25
HRB335级 (带肋钢筋，II级， )
R
HRB400级 (带肋钢筋，III级， )
生RR产B4工00级艺((余r热ol处le理d钢滚筋轧，余的热)处，理表III级面，形R 状) （plain 光面的，ribbed 有肋纹 的） 屈服屈强服强度度标标准准值值（235…）
HPB
HRB
Bar Plain Hot-rolled
单向拉伸试验应力—应变曲线
a’为比例极限proportional limit
s =Ese
a为弹性极限elastic limit b为屈服上限upper yield strength c为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength
cd为屈服台阶yield plateau de为强化段strain hardening stage e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength