摘要：通过实验室积累的维氏硬度与抗拉强度实验数据，通过回归分析验证了二者之间的关系，以用于风电行业大尺寸螺栓构件的低损快速检测。
0 前言
风电螺栓紧固件通常采用硬度和抗拉强度试验来确定产品的力学性能。但抗拉强度试验需要较长的样品制备和实验过程，而硬度试验可以在较短的时间内测试力学性能，对零件的损伤有限。当被测零件不便拆卸或加工时，可以利用硬度试验结果估算抗拉强度。
GB/T 33362-2016《金属材料硬度值换算》于2016年12月首次发布，2017年9月1日正式发布，其中给出了洛氏、维氏和布氏硬度值与抗拉强度的对应关系。由于材料应力的影响，硬度试验和抗拉试验存在差异，但硬度值与抗拉强度值呈正相关。因此，可以在有限的适用范围内建立二者关系的经验参数[1]。本试验研究的目的是通过实验室积累的试验数据，建立风力发电用大尺寸螺栓紧固件抗拉强度与维氏硬度的对应关系。
1 实验步骤
本次试验选取风电行业常用的规格为M36~M64、强度等级10.9级、材质的六角头螺栓以及规格为M39~M56、材质为8.8级的地脚螺栓进行数据汇总。
1.1 样品制备及实验方法
试件制备符合GB/T 3098.1中的标准规定。M42以下螺栓拉伸试件采用直接车削加工，M42及以上螺栓拉伸试件采用偏心取样后再车削加工。硬度试件在距螺纹端部1d处取横截面积，在保证平行度的情况下，依次用120目、320目、600目砂纸对横截面积进行打磨，确保粗糙度满足试验标准要求。
拉伸试样加工完成后，确认尺寸，符合尺寸要求的试样方可在试验机上进行拉伸试验。试验机设有自动对中装置，避免试验时夹持的试样只受到轴向拉伸，避免斜向拉伸，造成试验试样受力不均，影响试验结果的准确性。
硬度试样在维氏硬度计上1/2半径与轴线之间的区域内测量，标尺为HV30。每个试样测量三个点，若测量的压痕对角线长度超过标准要求，则重新制备试样并进行试验，计算三个点的平均值记录为该试样的维氏硬度值。
2 数据处理
本次试验共计六角头螺栓试验数据74组，地脚螺栓试验数据150组，具体规格型号如表1所示。
实验过程中影响实验结果的因素较多，特别是在数据量巨大的情况下。为了使实验数据更加可靠准确，对实验数据进行处理，去除异常数据点，保证线性回归分析不受异常数据的干扰，提高拟合的准确性。本次实验首先剔除不符合标准要求或项目要求的数据，对实验数据进行初步处理。
获取处理后的数据后，将不同类型、规格的数据进行分组，并以此为依据绘制数据散点图，如图1所示，横轴为维氏硬度，标尺HV30；纵轴为拉伸强度，单位MPa。
如图1所示，其中有一些数据点具有明显的离散数据模型，经过对比发现这几组数据均来自同一个项目组，且给出的标准值与其余数据相差较大，因此本次实验认为这几组数据为数据离群值。为了保证数据的可靠性，提高拟合精度，剔除这几组数据，完成数据的二次处理，重新绘制散点图，如图2所示。
如图2所示，当螺栓的维氏硬度值增加时，其抗拉强度也随之增加。在统计学中，回归分析可以确定相互依存的一个或多个变量之间的定量关系。因此，回归分析用于建立硬度和抗拉强度之间的关系。
3 回归分析
经过两次数据处理，初步认为数据具有一定的可靠性。对处理后的数据进行多种线性回归分析，分析结果如表2、表3和图3所示。
线性回归分析结果显示，Sig.值均小于0.001，说明维氏硬度与抗拉强度之间存在显著相关性，验证了二者之间存在正相关性。R平方值表示此线性回归方程中自变量和因变量能够解释的变异量。从本次检验结果可以看出，二次表达式可以共同解释89.2%的变异，相较于其他三个函数及相关计算，二次表达式解释量最大，更符合选取要求。因此，本次试验选取第二个函数作为最终建立维氏硬度-抗拉强度函数关系的表达式。
4 实验结果验证
为了验证试验结果的准确性，选取未参与回归分析的风电大尺寸螺栓紧固件产品数据进行对比，结果如表4所示。
表4表明，利用此回归分析得到的函数表达式计算得到的强度与实测的抗拉强度之间的误差在1%~10%之间，认为试验结果比较理想。
5 结论
本次试验选取了单个风电行业使用的大尺寸紧固件产品的试验数据作为分析数据来源，缩小了数据选取范围。认为得到的回归方程f(x)=800.606-1.896x+0.008x2在有限的适用范围内能较准确地表达维氏硬度与抗拉强度之间的关系。后续通过试验验证得到的误差也基本满足换算要求。随着数据量的增加，未来将对回归曲线继续进行修正。
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参考：
[1]GB/-2016.金属材料硬度值换算[S].
[2]刘凯翔.里氏硬度法测试钢材抗拉强度的试验研究[J].福建建设科技,2019,5.
[3]刘波,黄晓燕.国家标准《金属材料硬度值换算》解读[J].铸造技术,2018,3.
[4]吴芳娣,曹晶晶.金属材料洛氏硬度与拉伸强度的相关性[J].理化测试(理化测试),2019,5.