2.1.2 Рельсовая сталь

Материалом для рельсов служит рельсовая сталь. Рельсы изготавливают из специальной стали с высоким содержанием углерода (0,71-0,82%), имеющей перлитную или близкую к перлитной структуру. Чистота рельсовой стали оценивается по количеству распределению мягких и твердых неметаллических включений. Твердые включения или строчки включений, такие, как алюмосиликаты(Al₂ O₃  S_i O₂), являются источниками зарождения контактно-усталостных дефектов. Эти строчки являются также причиной горизонтальных расслоений головки рельса и образования микротрещин на некоторой глубине у рабочей грани головки рельса, которые развиваются в поперечные трещины головки и приводят к излому рельса. ГОСТ Р 51685-2000 не допускает в рельсах категории В неметаллические включения в виде вытянутых вдоль направления прокатки строчек глинозема и нитридов титана, а также глинозема, сцементированного силикатами. В рельсах категории Т1, Т2 и Н длина строчек указанных включений не должна превышать 0,5 мм.

Качество стали определяется ее химическим составом (табл.2.2).

Таблица 2.2

Химический состав рельсовой стали

Группа рельсов	Тип рельсов	Марка стали	Массовая доля,%
			Углерод	Марганец	Кремний	Фосфор	Сера
1	Р75	М76В	0,25-0,45 0,71-0,82	0,75-1,05	0,18-0,40	Не более 0,035	Не более 0,045
	Р65	М76Т
		М76ВТ
		М76Ц
	Р50	М74Т	0,69-0,80
		М74Ц
2	Р75	М76	0,71-0,82
	Р65
	Р50	М74	0,69-0,80

Примечания. 1. В обозначении марки стали буква «М» указывает способ выплавки стали (мартеновский), цифры – среднее содержание углерода в сотых долях процента.

2. Рельсы, изготовленные из стали марки М76В, следует относить к рельсам с ванадием; из сталей марок М76Т, М74Т и М76ВТ – к рельсам с титаном; из сталей марок М76Ц и М74Ц – к рельсам с цирконием.

3. Массовая доля ванадия в рельсовой стали в зависимости от марки колеблется от 0,01 до 0,07%, титана – от 0,005 до 0,025%, циркония – от 0,001 до 0,050%.

4. Допускается производство рельсов типа Р50 групп I и II из кислородно-конверторной стали. При этом в обозначении марки стали «М» заменяется буквой «К».

С повышением в стали углерода С повышается общая прочность рельсов при изгибе, твердость и износостойкость. Марганец Mn увеличивает твердость, износостойкость и вязкость рельсовой стали, а кремний Si – твердость и износостойкость. Фосфор Р и сера S – вредные примеси. При низких температурах рельсы с большим содержанием фосфора становятся хрупкими, а серы – красноломкими.

Сталь для рельсов должна иметь чистое, однородное, плотное мелкозернистое строение. Для обеспечения большей износостойкости и долговечности рельсы изготавливают из мартеновской высокоуглеродистой стали.

Рельсы, полностью удовлетворяющие техническим требованиям и стандартам, относятся к 1-му сорту. Рельсы, имеющие отклонения в химическом составе и механических свойствах, относятся ко 2-му сорту.

Механические свойства рельсов оценивают по пределу текучести, временному сопротивлению разрыву, по усталостной прочности и вязкости разрушения. Предел текучести характеризуется способностью материала сопротивляться пластической деформации, а также механического упрочнения. Временное сопротивление разрыву и усталостная прочность являются показателями сопротивления рельсового металла усталостным разрушениям. Объемно-закаленные рельсы имеют характеристики: временное сопротивление 1200 МПа, предел текучести 810 МПа, относительное удлинение 6%, относительное сужение 25%.

Твердость на поверхности головки и ее распределение по глубине рельса определяют износостойкость материала, сопротивляемость контактно-усталостным повреждениям и пластическим деформациям.

Твердость на поверхности катания: рельсов категории В - 363-401 НВ; Т1 – 341-401 НВ; Т2 – 321-401 НВ.

Вязкость разрушения – характеристика способности стали сопротивляться хрупкому разрушению от контактно-усталостных трещин и других усталостных дефектов. Это особенно важно для сопротивления развитию поперечных трещин. Ударная вязкость термоупрочненных рельсов при 20 ⁰С составляет 2,5 кгм/см.

Остаточные напряжения являются следствием процесса изготовления рельсов, контактных напряжений, возникающих под воздействием динамических нагрузок от колес, а также сварки рельсов. Самые большие остаточные напряжения возникают при термообработке рельсов и последующей их холодной правке в роликовой машине. В зависимости от способа правки эти напряжения могут достигать 100-300 МПа. В головке и подошве возникают растягивающие напряжения, а в шейке – сжимающие. ГОСТ Р 51685-2000 предусматривает заводской контроль за величиной остаточных напряжений.

Сварка рельсов приводит к возникновению сложно распределенных по величине и направлению остаточных напряжений. Во многих случаях они являются причиной разрушения рельса.

Объёмнозакаленные рельсы имеют срок службы в 1,3-1,5 раза выше, чем обычные.

В настоящее время созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, для этих рельсов используют электросталь. При температуре минус 60 ⁰С рельсы из электростали выдерживают ударные нагрузки вдвое больше, чем рельсы мартеновской стали.