レールの金属部分はどのような素材でできているのでしょうか？
レール用鋼材は、一般に「鉄道用鋼材」として知られ、主に鉄道の線路に使用される金属製品の一種である。レールは列車の重量や動的荷重を支える役割を担っている。その表面は摩耗し、頭部には衝撃が加わる。また、レールには大きな曲げ応力も作用する。複雑な圧縮力と長期間の使用により、レールには損傷が生じる。.
鉄道線路の金属に生じる主な損傷
- 上側のストランドの横方向の摩耗と、下側のストランドの押しつぶし。.
- この波状摩耗は、降伏強度が不十分であることが原因です。.
- 脆性破壊、剥離、ブロック落下、レール頭部の割れ、および溶接部の亀裂は、靭性と塑性の低さが原因で生じる。.
したがって、レール用鋼材に求められる基本的な要件としては、耐摩耗性、耐圧潰性、耐脆性破断性、耐疲労性、および良好な溶接性が挙げられる。.
鉄道用レールの代表的な材料
鋼種に応じて、レールの材料は 鉄道線路sは3つのタイプに分類できます：
炭素鋼
炭素鋼は、天然の鉄鉱石を原料として製錬・圧延された鉄道用レールです。主に鉱石に含まれる炭素とマンガン元素を利用して、レールの強度を高めています。 一般的な炭素鋼製鉄道レールは、炭素含有量が0.401～0.801％で、マンガン含有量が1.301～1.41％未満で構成されています。.
合金鋼
合金鋼レールとは、原鉱石にバナジウム、チタン、クロム、スズなどの合金元素を適量添加した後、溶解・圧延して製造されたレールである。この種のレールは、炭素鋼レールに比べて強度と靭性が高い。.
熱処理鋼
熱処理鋼は、熱間圧延された炭素鋼レールまたは合金レールを加熱し、冷却を制御することで成形されたレールです。熱処理レールのパーライト組織は、熱間圧延レールよりも微細化されており、その結果、強度と靭性が向上しています。 熱処理後の焼入れレールは、レール頭部に焼入れ硬化層を有しており、これにより機械的特性が大幅に向上し、レールの耐用年数を延ばすことができます。.
鉄道線路用鋼材の化学成分
| いいえ。. | 要素 | 機能 |
|---|---|---|
| 1 | C | レールの強度、硬度、および耐摩耗性を向上させる。国内製レールの炭素含有量は0.65%～0.82%である。炭素含有量が比較的高い場合、鋼は脆くなり、その塑性指数は著しく低下する。 同時に、鋼材に白点が発生する可能性が高まる。. |
| 2 | はい | 酸化と結合しやすく、金属中の気泡を除去する役割を果たすことができます。 鋼には適量のシリコンが含まれており、これにより鋼の硬度と耐摩耗性が向上します。国内のレール用鋼の含有量は一般的に0.159～0.9%ですが、含有量が多すぎると鋼が硬く脆くなり、溶接部に気孔が生じやすくなります。. |
| 3 | Mn | これは、鋼の強度や耐摩耗性を向上させ、靭性を高めることができる有益な元素です。また、鋼中に含まれる有害な酸化鉄や硫化物の介在物を除去する働きもあります。 マンガン含有量は、一般的に0.61～1.54％の範囲に制御されます。マンガン含有量が1.21％を超える鋼は中マンガン鋼と呼ばれ、その耐摩耗性は非常に高いです。. |
| 4 | Cu | これは有益な元素です。鋼には少量の銅化合物が含まれており、これにより鋼の耐疲労性や耐食性が向上します。 国内の鋼製レールの銅含有量は、一般的に0.10%から0.40%の間です。銅含有レールの圧延工程が適切でない場合、レールの表面に魚鱗状の亀裂が生じます。 |
| 5 | P | これは有害な元素です。リン化物の最大の危険性は、鋼の塑性や靭性を低下させることです。特に低温では、鋼の低温脆性が増大し、レールの破損を招きやすいため、その含有量は0.041％以下に制限されています。 |
| 6 | S | 硫黄は有害な元素です。硫黄はしばしば粒状の形で鋼中に残留します。レールを圧延する際、硫黄は鋼とともにシート状に圧延されるため、レールの剥離や縦方向の亀裂の原因となります。硫黄含有量は0.051％以下に管理されています。 |
鉄道線路用金属の機械的特性
- 強さ
荷重下でレールが変形や損傷に耐える能力。これは、通常、強度限界、降伏点、その他の指標を用いて表される。強度限界（引張強度）とは、金属材料が引張荷重に耐え、破壊に至らない最大応力を指す。 降伏点（降伏強度）とは、金属材料が荷重を増大させることなく、なおかつ著しい塑性変形を生じさせることができる応力のことを指す。単位はMPaである。.
- 可塑性
金属材料は、荷重がかかっても損傷することなく著しい変形を受け、荷重が取り除かれた後も変形した形状を維持することができます。これは、多くの場合、伸びや収縮という指標で表されます。伸びとは、試験片が破断した後の校正長さを、元の校正長さに対する割合として表したものです。 断面収縮率は、試料の破断断面積の減少分と元の断面積との比を百分率で表したものである。.
- 硬度
金属材料が、より硬い物体（材料）がその表面に押し込まれることに対して抵抗する能力。測定方法の違いにより、ブリネル硬度（HB）とロックウェル硬度（HRC）に分類される。.
実務上の経験から、硬さと強度の間には一定の相関関係があることが実証されており、これはブリネル硬さ値に基づいて概算することができる。.
その材料の引張強度を算出する。例えば、低炭素鋼は6b≈0.36HB、高炭素鋼は6b≈0.34HBである。.
- レジリエンス
金属材料が損傷することなく衝撃荷重に耐える能力。金属材料の靭性は衝撃試験によって測定され、衝撃靭性値αk（kJ/m）で表される。2.
- 疲労強度
繰返し荷重が加わると、材料は破壊する。金属材料が疲労に耐える能力は、疲労強度によって測定される。疲労強度とは、繰返し荷重が加わっても破壊に至らない金属材料の最大応力のことをいう。.
熱間圧延された鉄道レール用鋼材の硬度
| 素材 | 引張強度 / MPa | 硬度 / HB |
|---|---|---|
| U75V | 980以上 | 280~320 |
| U78CrV | 1080以上 | 310~360 |
| U76CrRE | 1080以上 | 310~360 |
| U77MnCr | 980以上 | 290~330 |
熱処理を施した鉄道レールの硬度
| 素材 | 引張強度 / MPa | 硬度 / HB |
|---|---|---|
| U75V | 1180以上 | 320~380 |
| U78CrV | 1280以上 | 370~420 |
