Из чего изготавливаются железнодорожные рельсы? (сталь)
Железнодорожные рельсы в основном изготавливаются из высококарбонистой стали — это не обычная низкоуглеродная сталь, а специально разработанная легировка, предназначенная для выдержки высокого давления, износа и усталости. Наиболее распространёнными марками являются U75V/U76CrV в Китае и EN 13674-1 Grade R260/R350HT в Европе.
1. Почему: Почему высококарбонистая сталь?
Рельс должен выполнять три ключевые функции:
– Высокая несущая способность: одна рельса должна выдерживать нагрузки в 25–40 тонн на ось, причём это происходит несколько раз в минуту.
– Устойчивость к износу: постоянное трение между колёсами поезда и рельсами постепенно износит головку рельса.
– Сопротивляться ударам и усталости: каждый проездный колесо представляет собой удар, что со временем приводит к усталости металла.
Сталь с высоким содержанием углерода обеспечивает идеальный баланс между:
– Высокая прочность при высоком напряжении: устойчиво к постоянной деформации (сгибанию).
– Высокая твёрдость: устойчиво к износу и абразии.
– Высокая прочность: устойчиво противоречит трещинам и хрупкому разрушению.
2. Химический состав: Рецепт
Эти свойства достигаются за счёт точного химического состава. Ниже приведён типичный состав для распространённого класса R260 (значения — приблизительные проценты по массе):
| Элемент | Роль в железнодорожном транспорте | Типичный процент |
| Углерод (C) | Самый важный элемент. Повышает прочность и твёрдость за счёт образования твёрдой микроструктуры — перлита. Недостаток углерода делает рельс мягким, избыток — хрупким. | 0.62% – 0.80% |
| Манган (Mn) | Повышает твёрдость, прочность и ударную вязкость. Способствует улучшению перлитной структуры, повышая её устойчивость к трещинам. | 0.70% – 1.20% |
| Кремний (Si) | Выступает в роли дезоксида при производстве стали, удаляя кислород, что позволяет получать более чистую и прочную сталь. Также повышает прочность. | 0.15% – 0.60% |
| Фосфор (P) | Несочистность. Необходимо поддерживать её на очень низком уровне, поскольку она приводит к хрупкости стали. | < 0.030% |
| Серия (S) | Несчистота. Включения, такие как сульфид марганца, могут служить точками напряжения и инициировать усталостные трещины. | < 0.025% |
| Хром (ванадий и др.) | Сплавные элементы (в более высоких классах) добавляются для дальнейшего повышения твёрдости, износостойкости и, в особенности, срока службы при усталости. Такие элементы часто используются в классах, таких как R350HT (с повышенной твёрдостью головки) или U78CrV. | Варьируется (например, Cr: 0,10–1,30%). |
3. Распространённые классы стали и стандарты
Рельсы выпускаются в строгом соответствии международным стандартам. Название класса, как правило, указывает минимальную прочность на растяжение в МПа (мегапаскал).
Европейский стандарт (EN 13674-1):
– R200: используется для лёгкого рельсового транспорта или трамваев. (максимальная прочность на растяжение — 200 МПа)
– R220: для стандартных пассажирских линий.
– R260: Наиболее распространённый класс по всему миру для главных линий тяжёлых и высокоскоростных железных дорог.
– R320Cr: хромированная сталь с повышенной износостойкостью.
– R350HT (Head Hardened): премиальный класс. После первоначального прокатки головка рельса подвергается термообработке (отжигу), что обеспечивает более твёрдую поверхность. Используется в самых сложных условиях: на резких поворотах (где износ особенно интенсивен) и на линиях тяжёлого грузоперевозочного сообщения.
Китайский стандарт (TB/T 2344):
– U71Mn: типичный класс, аналогичный R260.
– U75V / U76CrV: высококачественные рельсы с ванадием или хромом для повышенной прочности и надёжности, аналогичные R350HT.
Американский стандарт (AREMA):
– Стандартные углеродистые рельсы классов А–Е.
– Группа HH (Head Hardened): аналогично R350HT.
4. Почему не другие материалы?
Лёгкая сталь: слишком легко деформируется под нагрузкой.
Литой железный: слишком хрупкий и может трескаться при ударе.
Алюминий/титан: слишком мягкий и дорогой для данного применения.
В заключение можно сказать, что железнодорожная рельса — это шедевр металлургической инженерии. Речь идёт не просто о «сталь», а о специальной высокопроизводительной высококарбонистой перлитистой стали, тщательно сплавленной, прокатанной и зачастую подвергнутой термообработке, чтобы обеспечить долговечность и прочность, необходимые современной железнодорожной отрасли.
