lei xi
前一段时间的工作里，我碰到了一个和硬度有关的问题，于是就有了今天的这个题目，现在咱们开始吧~~
我遇到的问题是，车轮和钢轨到底哪个硬？它们的硬度应该如何来选择才更加合适？
回答开始之前，我们先来讨论一下硬度的问题吧，硬度是什么呢？
—从概念上来讲，硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。
那接下来的问题是，硬度如何测量呢？
—硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
下面咱们挑几种常见的（其实就是我知道的，我不知道的应该就不常见了吧）来说一说，还是上个图吧。
从上面的图里面我相信大家也看出来了，硬度测量主要分两种，一种是静态测量，就是把各种压头压进金属表面，然后测量压痕得出结果，一种是动态测量，主要是肖氏硬度，那是利用回跳原理。
下面咱们进入车轮和钢轨的话题，在下面的讨论中，我们主要使用布氏硬度 HBW。
回到正题，为啥要讨论车轮和钢轨的硬度问题呢？
—因为车轮和钢轨都是受力、受摩擦的金属，会有磨损、会有伤损，使用更软的金属可能伤损、裂纹、掉块少，但是磨耗会快，使用更硬的金属可能磨耗会少一点，但是会有其他的问题出来，而且轮轨都是钢材制造，硬度大到一定程度成本会显著增高，毕竟是消耗品，合适就可以了。
—不光要单独讨论车轮和钢轨的硬度，还要讨论车轮和钢轨硬度的比值，因为它两个是互相作用的，这个硬了那个的磨耗就快，一个合适的比值也是很重要的。
为了研究这个问题，我前一段时间测量了一些我能接触到的钢轨和车轮的硬度值，因为我总不能把轮子和钢轨卸下来拉到检测台上去测，所以用的是笔式硬度计，就是上面说的肖氏硬度的测量，然后再近似换算成布氏硬度。笔式硬度计是这样的：
大家先看一看数据：
车轮我也测了一些数据，由于轮子不归我管，我就不上详细的表了，给大家一个数值吧，车轮的硬度大概在 HB260—HB290 之间，所有测量的平均值是 281。
大家看出什么来了？
—新钢轨的硬度明显比旧钢轨的低。这是因为钢轨上线以后会被车轮反复碾压，这个过程会使钢轨表面变得致密，硬度会加大，这个过程一般叫做加工硬化。
—轮子的硬度和加工硬化后的钢轨差不多。其实轮子也是加工硬化过的，因为我没有找到新轮子所以就没测，我猜新轮子的硬度也应该会小一点。
此时，钢轨 / 车轮的硬度比大概是 1.06 左右，咱们把这个数值先放一放。
下面来看看其他人的长期研究测量结果：
—当钢轨 / 车轮的硬度比小于 0.96 时， 钢轨磨损明显上升，当钢轨 / 车轮的硬度比大于 1.0 时， 钢轨磨损稳定在较低水平，而当钢轨 / 车轮的硬度比大于 1.25 时，钢轨磨耗开始下降。
—车轮试样的磨损与轨相反，当钢轨 / 车轮的硬度比等于 1.20 左右时， 车轮试样磨损明显增加，当钢轨 / 车轮硬度比达到 1.28 左右时，车轮磨损陡然增加了 4—5 倍。
—在硬度等级小于 250HB 时，轮轨的硬度增加不会明显的降低磨耗水平。
—在硬度介于 250—450HB 时，轮轨硬度的增加会使轮轨的总磨耗水平降低。
—当硬度大于 450HB 时，会使轮轨的总磨耗降低程度变得更大。
从上文所述，我们暂时可以得到两个个初步的判断：
—钢轨 / 车轮硬度比大约在 1.0—1.1 左右时，是比较好的硬度匹配，而现在的设计也考虑到了这个问题，我自己的实测结果就是证明。
—轮轨硬度越大越好，但是为了经济性考虑，一般采用硬度 260—340HB 之间的材料。
但是，这就是全部么？其实我们还可以更深入一步。
根据我们的经验，在非重载铁路上特别是城市轨道交通上钢轨的磨耗主要都出现在小半径曲线上，在其他位置磨耗量非常的少。我们可以根据这个特点来针对不同线路情况来使用不同的钢轨硬度，以取得最好的磨耗控制效果。
—在普通地段使用硬度较低的钢轨，使得钢轨 /车轮硬度比控制在 1.0—1.1 之间，不得小于 0.96，使得车轮和钢轨的磨耗水平都控制在较低的水平。
—在小半径曲线地段使用硬度较高的钢轨，使得钢轨 /车轮硬度比维持在 1.25 左右，使得钢轨磨耗水平得以降低。
—有人会问，前面不是说比值大于 1.2 时车轮的磨耗会增加么？确实是，但是小半径曲线地段比较少啊，这样车轮经过的大部分钢轨是不那么硬的，磨耗也不会明显增大。
这就是我的结论了。
文章的最后，我们科普一下钢轨硬度的常识吧，以地铁常用的 U71Mn 和 U75V 钢轨为例，它们的硬度是这样的：
在它们经过热处理以后，它们的硬度就满了我上面说的比值 1.25 的要求，热处理以后的硬度是这样的：
Ps，在以前人们没有做这么多研究的时候，也是倾向于钢轨比车轮较硬的，但是当时的理由是……要是一定要有磨耗的话，那就磨车轮吧，因为车轮更换起来比钢轨更换要方便啊……作为一个搞轨为生的人来说，实在是爱这个说法。