L'acier au carbone est du fer allié au carbone et son comportement est principalement régi par la teneur en carbone. Les quatre types conventionnels, par ordre croissant de carbone, sont l'acier à faible teneur en carbone, à teneur moyenne en carbone, à haute teneur en carbone et à ultra-acier à haute teneur en carbone. La teneur en carbone augmente la résistance et la dureté mais diminue la ductilité, la ténacité et la soudabilité, c'est pourquoi la sélection des matériaux est toujours une question d'équilibre plutôt qu'une course au nombre le plus élevé.
Les quatre types d'acier au carbone
| Taper | Teneur en carbone | Propriétés typiques | Utilisations courantes |
| Faible teneur en carbone (acier doux) | En dessous de 0,3 % | Doux, ductile, facilement soudé et formé | Profilés de structure, canalisations, carrosseries automobiles, fabrication générale |
| Carbone moyen | 0.3-0.6% | Équilibre entre résistance et ductilité | Engrenages, essieux, arbres, pièces de machines |
| Haute teneur en carbone | 0.6-1.0% | Dur, résistant à l'usure, moins ductile | Ressorts, fils, outils de coupe, rails |
| Ultra-haute teneur en carbone | 1.0-2.0% | Extrêmement dur et cassant | Matrices, poinçons, tranchants spécialisés |
Comment l'acier ferroviaire est classé
L'acier pour rails est produit en trois familles. Les rails en carbone sont fondus et laminés à partir de chaleurs à base de minerai de fer-, s'appuyant principalement sur le carbone et le manganèse pour leur résistance ; un acier ferroviaire ordinaire typique contient environ 0,40 -0,80 % de carbone et du manganèse à environ 1,0 - 1,4 %. Les rails en alliage ajoutent de petites quantités d'éléments d'alliage tels que le vanadium, le titane, le chrome ou le niobium pour augmenter la résistance et la ténacité au-delà des qualités de carbone. Les rails traités thermiquement sont des rails en carbone ou en alliage qui sont chauffés puis refroidis dans des conditions contrôlées pour affiner la structure perlite ; le champignon du rail développe une couche durcie qui améliore considérablement la résistance à l'usure et prolonge la durée de vie.
Qualités des rails chinois et propriétés mécaniques
Rails-laminés à chaud (GB/T 2 585)
| Grade | Résistance à la traction (MPa) | Dureté (HB) |
| U75V | au moins 980 | 280-320 |
| U78CrV | au moins 1080 | 310-360 |
| U76CrRE | au moins 1080 | 310-360 |
| U77MnCr | au moins 980 | 290-330 |
Rails traités thermiquement-
| Grade | Résistance à la traction (MPa) | Dureté (HB) |
| U75V (traité thermiquement) | au moins 1180 | 320-380 |
| U78CrV (traité thermiquement) | au moins 1280 | 370-420 |
Les familles européennes et UIC utilisent leurs propres désignations : R260 et R350HT sous EN 13674-1, et grades 700, 900A et 1100 sous UIC 860, où le chiffre correspond à la résistance minimale à la traction en MPa.
Choisir le bon acier pour rails
Sélectionnez la qualité en fonction du trafic : les charges par essieu lourdes et les courbes prononcées exigent des têtes plus dures et plus résistantes, c'est là que les rails traités thermiquement- gagnent leur prime. Les lignes droites et légèrement chargées peuvent utiliser des qualités de carbone standard à moindre coût. La soudabilité est également importante : les rails à haute teneur en carbone et en alliage nécessitent des procédures de soudage contrôlées, et la composition chimique du rail doit être compatible avec le processus de soudage utilisé sur le projet. Pour les composants de fixation, les aciers à ressorts tels que le 60Si2MnA se situent dans la plage de carbone élevée -, et la dureté des clips après traitement thermique est généralement de 42 à 50 HRC.
Idées fausses courantes
Une teneur en carbone plus élevée n'est pas automatiquement meilleure : l'acier à ultra-haute teneur en carbone est trop fragile pour les pièces structurelles et dynamiques. Les rails ne sont pas fabriqués en acier à faible teneur en carbone, qui s'userait en quelques mois. Et l’expression acier allié ne signifie pas acier inoxydable : des éléments d’alliage sont ajoutés en faibles pourcentages pour améliorer la résistance et la ténacité, et non pour la résistance à la corrosion.
FAQ
Pourquoi l'acier ferroviaire est-il toujours à haute teneur en carbone ?
Car le champignon du rail doit résister à l’usure et le rail dans son ensemble doit résister à la flexion et à la fatigue. La haute teneur en carbone donne la dureté et la résistance requises, tandis que les niveaux spécifiques de carbone et de manganèse sont adaptés à la soudabilité et à la ténacité.
Quelle est la différence entre un rail en carbone et un rail en alliage ?
Les rails en carbone dépendent du carbone et du manganèse pour leur résistance ; Le rail en alliage ajoute de petites quantités de vanadium, de titane, de chrome ou de niobium pour augmenter la résistance et la ténacité.
Quel est l'effet du traitement thermique sur un rail ?
Le chauffage et le refroidissement contrôlés affinent la structure perlite et créent une couche durcie au niveau du champignon du rail, augmentant généralement la résistance à la traction de 150 à 200 MPa et améliorant considérablement la durée de vie sur les voies courbes.
L’U75V est-il meilleur que l’U71Mn ?
L'U75V a une résistance plus élevée et une meilleure résistance à l'usure et constitue un choix courant pour les lignes de transport lourd-et à grande vitesse-. L'U71Mn reste largement utilisé pour les lignes conventionnelles où sa soudabilité et son coût s'équilibrent bien.
L’acier à haute teneur en carbone peut-il être soudé facilement ?
Les aciers à haute teneur en carbone nécessitent un préchauffage contrôlé, des procédures qualifiées et une inspection après-soudage, c'est pourquoi le soudage des rails (flash bout à bout, thermite ou aluminothermique) est une opération spécialisée avec des paramètres approuvés.
Quelle dureté doivent avoir les clips à ressort ?
Les clips à ressort ferroviaires sont généralement trempés et revenus à 42-50 HRC. Une dureté inférieure risque une déformation plastique et une perte de charge au niveau des orteils ; une dureté plus élevée risque de se briser fragilement sous l'impact.