張建軍， 竇 智， 劉 凱

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100144）

0 引言

風(fēng)電用螺栓類緊固件產(chǎn)品通常通過硬度和抗拉強(qiáng)度試驗確定產(chǎn)品的力學(xué)性能。 但是抗拉強(qiáng)度試驗需要經(jīng)過較長時間的試樣制備和實驗過程， 硬度試驗則能在較短時間內(nèi)， 對零部件做出有限的輕微破壞情況下檢測力學(xué)性能。 當(dāng)被檢測零部件不便拆卸或加工時可以用硬度試驗結(jié)果估算出抗拉強(qiáng)度。

在2016 年12 月首次發(fā)布，2017 年9 月1 日正式發(fā)布的GB/T 33362-2016《金素材料 硬度值得換算》中給出了洛氏、維氏和布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系。由于材料應(yīng)力的影響，硬度試驗和拉伸試驗之間存在差異，但是硬度值與抗拉強(qiáng)度值是正相關(guān)的，因此，在有限地適用范圍內(nèi)，確立二者關(guān)系的經(jīng)驗參數(shù)是可能的[1]。 本次試驗研究的目的在于通過實驗室積累的檢測數(shù)據(jù)，建立風(fēng)電用大規(guī)格螺栓緊固件產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度與維氏硬度的對應(yīng)關(guān)系。

1 實驗過程

本次試驗選用風(fēng)電行業(yè)常用的規(guī)格為M36-M64，等級為10.9 材質(zhì)為42CrMo，的六角頭螺栓，以及規(guī)格為M39-M56，材質(zhì)為35CrMo，等級為8.8 的錨栓進(jìn)行數(shù)據(jù)歸納。

1.1 試樣制備與實驗方法

試件的制備均符合GB/T 3098.1 中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 M42規(guī)格以下螺栓的拉伸試件采用直接車削的加工方法，M42以上及M42 螺栓規(guī)格的拉伸試樣采用先偏心取樣再車削的加工方法。 硬度試樣在距螺紋末端1d 處取一橫截面，在保證平行度的情況下對截面依次用120 目、320 目、600目砂紙打磨，以保證粗糙度滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。

拉伸試樣加工完成后對尺寸進(jìn)行確認(rèn)， 滿足尺寸要求的試樣在試驗機(jī)上才可以開始拉伸實驗。 試驗機(jī)有自動定心裝置， 避免了試驗時被夾持試樣只受受軸向拉力的作用，避免斜拉，斜拉有可能使被測試樣受力不均勻，從而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

硬度試樣在維氏硬度計上選取1/2 半徑與軸線間的區(qū)域內(nèi)測定，標(biāo)尺選為HV30.每個試件測量3 個點，如測定壓痕的對角線長度超出標(biāo)準(zhǔn)要求則對試樣重新制備并進(jìn)行試驗， 計算并記錄下3 個點的平均值作為試件的維氏硬度值。

2 數(shù)據(jù)處理

在本次試驗中， 共有六角頭螺栓類零部件試驗數(shù)據(jù)74 組，錨栓類零部件數(shù)據(jù)150 組，具體規(guī)格型號詳見表1。

表1 規(guī)格型號統(tǒng)計

實驗過程中存在多種因素影響實驗結(jié)果， 尤其是在數(shù)據(jù)量巨大的時候。 為了使實驗數(shù)據(jù)更加可靠、準(zhǔn)確，炫耀丟實驗數(shù)據(jù)經(jīng)行處理， 去除掉異常的數(shù)據(jù)點以保證在做線性回歸分析時不被異常數(shù)據(jù)干擾， 提高擬合的精確性。在本次實驗中，首先剔除掉不符合標(biāo)準(zhǔn)要求或不符合項目要求的數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行初次處理。

得到一次處理后的數(shù)據(jù)后，對不同種類、不同規(guī)格的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，以此為依據(jù)繪制數(shù)據(jù)散點圖，如圖1 所示。橫坐標(biāo)為維氏硬度，標(biāo)尺HV30；縱坐標(biāo)為抗拉強(qiáng)度，單位MPa。

圖1 實驗數(shù)據(jù)散點圖

由圖1 可知存在個別明顯離散數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)點，經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)這幾組數(shù)據(jù)均來自同項目組， 給定標(biāo)準(zhǔn)值與其余數(shù)據(jù)差別較大， 因此在本次實驗中認(rèn)為這幾組數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)異常點。 為保證數(shù)據(jù)可靠，提高擬合精度，對這幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，完成數(shù)據(jù)的二次處理，并重新繪制散點圖，如圖2 所示。

圖2 剔除異常點后的數(shù)據(jù)散點圖

由圖2 可知，當(dāng)螺栓的維氏硬度值上升時，其抗拉強(qiáng)度也隨之上升。在統(tǒng)計學(xué)當(dāng)中，回歸分析能夠確定一種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系。因此，選用回歸分析法來確立硬度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。

3 回歸分析

經(jīng)由兩次數(shù)據(jù)處理后， 初步認(rèn)為數(shù)據(jù)在一定程度上是可靠的。對處理過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種線性回歸分析，分析結(jié)果詳見表2、表3 和圖3。

表2 數(shù)據(jù)回歸分析匯總

表3 回歸公式

圖3 維氏硬度與抗拉強(qiáng)度線性、二次、冪、指數(shù)回歸分析結(jié)果

通過線性回歸分析結(jié)果可知，Sig.值均小于0.001，則說明維氏硬度與抗拉強(qiáng)度存在顯著的相關(guān)性， 驗證了兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系。 R 方值表示在該種線性回歸方程中能解釋自變數(shù)能解釋因變數(shù)的變異量， 由本次試驗結(jié)果可知二次式能共同解釋的變異量為89.2%， 較其他三種函數(shù)及相關(guān)計算最大，更符合選用要求，因此選用第二種函數(shù)作為本次實驗最終確立維氏硬度-抗拉強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式。

4 實驗結(jié)果驗證

為驗證本次實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性， 選取風(fēng)電大規(guī)格螺栓類緊固件產(chǎn)品實驗數(shù)據(jù)中未參與回歸分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。結(jié)果詳見表4。

表4 試驗驗證結(jié)果

由表4 表明， 由本次回歸分析所得函數(shù)表達(dá)式計算所得強(qiáng)度與實測抗拉強(qiáng)度誤差在1%～10%之間， 認(rèn)為本次試驗結(jié)果較為理想。

5 結(jié)束語

本次試驗選取單一風(fēng)電行業(yè)所用大規(guī)格緊固件產(chǎn)品的實驗數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)的來源，縮小了數(shù)據(jù)選取范圍，認(rèn)為所得到的回歸方程f（x）=800.606-1.896x+0.008x2在有限的適用范圍內(nèi)能更準(zhǔn)確的表達(dá)維氏硬度與抗拉強(qiáng)度間的關(guān)系。 通過后續(xù)試驗驗證所得誤差也基本滿足換算需求。 隨著數(shù)據(jù)量的增多， 后續(xù)會繼續(xù)對回歸曲線進(jìn)行修正。