Из чего изготавливают рельсовый металл?

Рельсовая сталь, широко известная как сталь для железнодорожных путей, представляет собой специальный вид стали, входящий в состав металлургической продукции и используемый преимущественно для изготовления железнодорожных путей. Рельс принимает на себя вес и динамическую нагрузку поезда. Его поверхность подвергается износу, а головка — ударам. Кроме того, рельс испытывает значительные изгибающие нагрузки. Сложные условия эксплуатации и длительный срок службы приводят к повреждению рельсов.

Основные виды повреждений металла железнодорожных путей

Боковой износ верхней нити и сдавливание нижней нити.
Износ от воздействия волн вызван недостаточным пределом текучести.
Хрупкое разрушение, отколы, выпадение блоков, раскол рельсовых головок и трещины в сварных швах возникают из-за низкой вязкости и пластичности.

Таким образом, к рельсовой стали предъявляются следующие основные требования: износостойкость, ударопрочность, сопротивление хрупкому разрушению, усталостная прочность и хорошая свариваемость.

Типичный материал для изготовления железнодорожных рельсов

В зависимости от марки стали, материал рельсов для железнодорожный путьих можно разделить на три типа:

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — это рельсовая сталь, выплавленная и прокатанная из природной железной руды. Для повышения прочности рельсов в ней в основном используются углерод и марганец, содержащиеся в руде. Обычная углеродистая рельсовая сталь содержит углерод в количестве от 0,401% до 0,801% и марганец — менее 1,301%–1,41%.

Легированная сталь

Легированная сталь — это рельсовая сталь, полученная путем плавки и прокатки после добавления в исходную железную руду соответствующих количеств легирующих элементов, таких как ванадий, титан, хром и олово. Прочность и вязкость этого типа рельсов выше, чем у углеродистых рельсов.

Термообработанная сталь

Термообработанный рельс представляет собой стальной рельс, получаемый путем нагрева и контролируемого охлаждения горячекатаного углеродистого или легированного рельса. Перлитовая структура термообработанного рельса имеет более мелкозернистую структуру по сравнению с горячекатаным рельсом, что обеспечивает более высокую прочность и вязкость. Закаленный рельс после термообработки имеет слой корректирующего закаления в головке рельса, что значительно улучшает его механические свойства, позволяя продлить срок службы рельса.

Химический состав стали для железнодорожных рельсов

Нет.	Элемент	Функция
1	C	Повысить прочность, твердость и износостойкость рельса. Содержание углерода в отечественных рельсах составляет от 0,651 до 0,821 %. При относительно высоком содержании углерода сталь становится хрупкой, а показатель её пластичности значительно снижается. В то же время это увеличивает вероятность появления белых пятен в стали.
2	Да	Он легко вступает в реакцию окисления и может способствовать удалению пузырьков из металла. Сталь содержит соответствующее количество кремния, что позволяет повысить ее твердость и износостойкость. Содержание кремния в отечественной рельсовой стали обычно составляет 0,159–0,91%, однако его избыток делает сталь твердой и хрупкой, что приводит к образованию пор в сварном шве.
3	Mn	Это полезный элемент, способный повысить прочность и износостойкость стали, а также увеличить её вязкость. Он позволяет удалить из стали вредные включения в виде оксидов и сульфидов железа. Содержание марганца обычно регулируется в пределах от 0,61% до 1,541%. Сталь с содержанием марганца более 1,21% называется среднемарганцевой, и ее износостойкость очень высока.
4	Cu	Это полезный элемент. Сталь содержит небольшое количество соединений меди, которые могут повысить усталостную прочность и коррозионную стойкость стали. Содержание меди в отечественных стальных рельсах обычно составляет от 0,101% до 0,401%. Если процесс прокатки медьсодержащих рельсов не соответствует требованиям, на поверхности рельса появляются трещины в виде «рыбьих костей».
5	P	Это вредный элемент. Главная опасность фосфида заключается в том, что он снижает пластичность и вязкость стали. Особенно при низких температурах холодная хрупкость стали возрастает, что легко приводит к поломке рельсов, поэтому его содержание ограничивается значением не более 0,041 %
6	S	Сера является вредным элементом. Часто она остается в стали в виде гранул. При прокатке рельса она вместе со сталью попадает в листы, что приводит к расслоению или появлению продольных трещин в рельсе. Содержание серы не должно превышать 0,051 %

Основные химические элементы и их функции в рельсах, за исключением железа

Механические свойства металла железнодорожных путей

Сила

Способность рельса противостоять деформации и повреждениям под нагрузкой. Часто выражается в виде предела прочности, предела текучести и других показателей. Предел прочности (прочность на разрыв) означает сопротивление металлического материала растягивающей нагрузке и максимальное напряжение, при котором он не разрушается. Предел текучести (предел текучести) — это напряжение, при котором металлический материал может еще испытывать значительную пластическую деформацию без увеличения нагрузки. Единица измерения — МПа.

Пластичность

Металлический материал подвергается значительной деформации без разрушения под действием нагрузки и способен сохранять деформированную форму после снятия нагрузки. Эта способность часто выражается в виде показателей удлинения и усадки. Удлинение — это процентное соотношение калиброванной длины образца после разрушения к его исходной калиброванной длине. Усадка сечения — это процентное соотношение уменьшения площади сечения образца в месте разрушения к исходной площади сечения.

Твёрдость

Способность металлического материала сопротивляться вдавливанию в его поверхность другого, более твёрдого предмета (материала). В зависимости от метода измерения она подразделяется на твёрдость по Бринеллю (HB) и твёрдость по Роквеллу (HRC).

Практика показывает, что между твердостью и прочностью существует определенная зависимость, которую можно приблизительно оценить по показателю твердости по Бринеллю.

Рассчитайте предел прочности материала. Например, для низкоуглеродистой стали 6b ≈ 0,36 HB, для высокоуглеродистой стали 6b ≈ 0,34 HB.

Устойчивость

Способность металлических материалов выдерживать ударные нагрузки без повреждений. Вязкость металлических материалов можно определить с помощью испытания на удар и выразить величиной ударной вязкости αk в кДж/м².

Усталостная прочность

Под действием переменной нагрузки материал разрушается. Способность металлических материалов противостоять усталости измеряется усталостной прочностью. Усталостная прочность — это максимальное напряжение, которое металлический материал может выдерживать при повторяющихся переменных нагрузках без разрушения.