De quoi est composé le métal des rails ?

Le métal des rails, communément appelé « acier de voie ferrée », est un acier spécial issu de la métallurgie, principalement utilisé pour la construction des voies ferrées. Le rail supporte le poids et les charges dynamiques du train. Sa surface s'use et sa tête subit des chocs. Le rail est également soumis à d'importantes contraintes de flexion. Les contraintes complexes auxquelles il est soumis et sa longue durée de vie entraînent l'apparition de dommages sur les rails.

Les principaux dommages subis par les éléments métalliques des voies ferrées

L'usure latérale du brin supérieur et l'écrasement du brin inférieur.
L'usure ondulatoire est due à une limite d'élasticité insuffisante.
Les fractures fragiles, l'écaillage, la chute de blocs, la fissuration des têtes de rail et les fissures de soudure sont dus à une faible ténacité et à une faible plasticité.

Par conséquent, les exigences fondamentales relatives à l'acier pour rails sont les suivantes : résistance à l'usure, résistance à l'écrasement, résistance à la rupture fragile, résistance à la fatigue et bonne soudabilité.

Matériau typique utilisé pour l'acier des voies ferrées

En fonction du type d'acier, le matériau des rails pour voie ferréeOn peut distinguer trois types de :

Acier au carbone

L'acier au carbone est un rail en acier fondu et laminé à partir de minerai de fer brut naturel. Il utilise principalement les éléments carbone et manganèse présents dans le minerai pour renforcer la résistance du rail. L'acier ordinaire pour rails de chemin de fer au carbone est composé de 0,401 % à 0,801 % de carbone et de moins de 1,301 % à 1,41 % de manganèse.

Acier allié

L'acier allié est un rail en acier obtenu par fusion et laminage après ajout de quantités appropriées d'éléments d'alliage, tels que le vanadium, le titane, le chrome et l'étain, au minerai de fer d'origine. La résistance et la ténacité de ce type de rail sont supérieures à celles d'un rail au carbone.

Acier traité thermiquement

L'acier traité thermiquement est un rail en acier obtenu par chauffage et refroidissement contrôlé d'un rail en acier au carbone ou en alliage laminé à chaud. La structure perlitique du rail traité thermiquement est plus fine que celle du rail laminé à chaud, ce qui lui confère une résistance et une ténacité supérieures. Le rail trempé après traitement thermique présente une couche de correction de trempe à l'extrémité du rail, ce qui améliore considérablement ses propriétés mécaniques et permet ainsi de prolonger sa durée de vie.

La composition chimique de l'acier utilisé pour les voies ferrées

Non.	Élément	Fonction
1	C	Améliorer la résistance mécanique, la dureté et la résistance à l'usure du rail. La teneur en carbone des rails nationaux est comprise entre 0,651 % et 0,821 %. Lorsque la teneur en carbone est relativement élevée, l'acier devient cassant et son indice de plasticité diminue considérablement. Par ailleurs, cela augmente le risque d'apparition de taches blanches dans l'acier.
2	Si	Il se combine facilement avec les composés oxydants et peut contribuer à éliminer les bulles dans le métal. L'acier contient une quantité appropriée de silicium, ce qui permet d'améliorer sa dureté et sa résistance à l'usure. La teneur en silicium de l'acier ferroviaire national est généralement comprise entre 0,159 et 0,91 %, mais une teneur trop élevée rend l'acier dur et cassant, et favorise la formation de pores dans la soudure.
3	Mn	C'est un élément bénéfique qui peut améliorer la résistance mécanique et la résistance à l'usure de l'acier, tout en augmentant sa ténacité. Il permet d'éliminer les inclusions nocives d'oxyde de fer et de sulfure présentes dans l'acier. La teneur en manganèse est généralement maintenue entre 0,61 % et 1,541 %. L'acier dont la teneur en manganèse est supérieure à 1,21 % est appelé acier à teneur moyenne en manganèse, et sa résistance à l'usure est très élevée.
4	Cu	C'est un élément bénéfique. L'acier contient une faible quantité de composés de cuivre, qui peuvent améliorer sa résistance à la fatigue et à la corrosion. La teneur en cuivre des rails en acier nationaux se situe généralement entre 0,101 % et 0,401 %. Si le processus de laminage du rail contenant du cuivre n'est pas satisfaisant, des fissures en forme d'arêtes de poisson apparaîtront à la surface du rail.
5	P	Il s'agit d'un élément nocif. Le principal danger lié au phosphure réside dans le fait qu'il réduit la plasticité et la ténacité de l'acier. En particulier à basse température, la fragilité à froid de l'acier augmente, ce qui entraîne facilement la rupture des rails ; sa teneur est donc limitée à 0,041 % maximum.
6	S	Le soufre est un élément nocif. Il reste souvent présent dans l'acier sous forme de granules. Lors du laminage du rail, il est laminé avec l'acier pour former des tôles, ce qui provoque un délaminage ou des fissures longitudinales dans le rail. La teneur en soufre est contrôlée et ne doit pas dépasser 0,051 %.

Les principaux éléments chimiques et leurs fonctions dans les rails, à l'exception du fer

Les propriétés mécaniques des matériaux métalliques utilisés pour les voies ferrées

Force

Capacité du rail à résister à la déformation et aux dommages sous l'effet d'une charge. Elle est souvent exprimée en termes de limite de résistance, de limite d'élasticité et d'autres indicateurs. La limite de résistance (résistance à la traction) désigne la capacité du matériau métallique à résister à une charge de traction et la contrainte maximale à laquelle il ne se rompt pas. La limite d'élasticité (résistance à la déformation) désigne la contrainte à laquelle le matériau métallique peut encore subir une déformation plastique significative sans augmentation de la charge. L'unité est le MPa.

Plasticité

Le matériau métallique subit une déformation importante sans se rompre sous l'effet de la charge et conserve sa forme déformée une fois la charge supprimée. Cette propriété est souvent exprimée en termes d'allongement et de retrait. L'allongement correspond au pourcentage obtenu en divisant la longueur mesurée après rupture de l'échantillon par sa longueur mesurée à l'origine. Le rétrécissement de la section est le pourcentage du rapport entre la réduction de la section de rupture de l'échantillon et la section d'origine.

Dureté

Capacité d'un matériau métallique à résister à la pression exercée par un autre objet (ou matériau) plus dur sur sa surface. Selon les différentes méthodes de mesure, on distingue la dureté Brinell (HB) et la dureté Rockwell (HRC).

L'expérience a montré qu'il existe une certaine corrélation entre la dureté et la résistance, qui peut être estimée à partir de la valeur de dureté Brinell.

Calculez la résistance à la traction du matériau. Par exemple, pour l'acier à faible teneur en carbone, 6b ≈ 0,36 HB, et pour l'acier à haute teneur en carbone, 6b ≈ 0,34 HB.

Résilience

Capacité des matériaux métalliques à résister aux charges de choc sans subir de dommages. La ténacité des matériaux métalliques peut être mesurée par un essai de choc et exprimée par la valeur de ténacité au choc αk en kJ/m².

Résistance à la fatigue

Sous l'effet d'une charge alternée, le matériau se rompt. La capacité des matériaux métalliques à résister à la fatigue est mesurée par la résistance à la fatigue. La résistance à la fatigue correspond à la contrainte maximale qu'un matériau métallique peut supporter sous l'effet de charges alternées répétées sans se rompre.