Composition et propriétés des aciers pour rails
Le développement des rails ferroviaires vise des aciers plus propres, résistants et durables. Les travaux de recherche cherchent à optimiser simultanément la résistance à l’usure, la ténacité et la tenue à la fatigue de contact. Parmi les familles étudiées figurent les aciers perlitiques hypereutectoïdes, martensitiques et bainitiques.
| Pays | Type d’acier pour rail | C % | Si % | Mn % | S % | P % | V % | MPa | HB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Japon | JISE60 | 0.63~0.75 | 0.15~0.30 | 0.70~1.10 | ≤0.030 | ≤0.025 | ≥800 | ≥235 | |
| États-Unis | AREA | 0.72~0.82 | 0.10~0.60 | 0.60~1.25 | ≤0.037 | ≤0.035 | ≥960 | ≥300 | |
| Europe | UIC900A | 0.60~0.80 | 0.10~0.50 | 0.80~1.30 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≥880 | 260~300 | |
| Chine | U71Mn | 0.65~0.75 | 0.10~0.50 | 0.80~1.30 | ≤0.030 | ≤0.030 | ≥880 | 260~300 | |
| China | U75V | 0.70~0.78 | 0.50~0.70 | 0.80~1.05 | ≤0.030 | ≤0.030 | 0.04-0.08 | ≥980 | 280~320 |
Acier perlitique hypereutectoïde pour rails
La résistance à l’usure peut être améliorée par la composition de l’alliage, le traitement thermique et le contrôle d’une microstructure perlitique fine. La réduction de l’espacement interlamellaire de la perlite et la maîtrise de la distribution de la cémentite contribuent aux performances. La composition et le procédé doivent toutefois limiter les constituants fragilisants et garantir un équilibre entre dureté, ténacité et résistance à la fatigue.
Rail traité pour limiter la fissuration
Des programmes de recherche menés dans les années 1990 ont étudié des rails traités thermiquement avec des niveaux de dureté différenciés entre la table de roulement et l’angle du champignon. L’objectif était de favoriser une usure contrôlée capable d’éliminer de très petites amorces de fatigue avant leur propagation. La validation d’un tel profil exige néanmoins des essais en voie et une adaptation aux charges, aux courbes et aux conditions d’exploitation.
Acier martensitique pour rails
Des aciers martensitiques à faible teneur en carbone ont également été étudiés pour les rails. Certains développements annoncent une dureté du champignon pouvant atteindre environ 445 HB. Leur intérêt potentiel réside dans l’association d’une forte dureté, d’une bonne résistance à l’usure et d’une ténacité adaptée, sous réserve de maîtriser le traitement thermique et la soudabilité.
Acier bainitique pour rails
Les aciers bainitiques peuvent combiner une dureté et une résistance à la traction élevées avec une bonne tenue à l’usure et à la fatigue. Leurs performances dépendent fortement de la composition, de la microstructure et du traitement thermique. Les recherches portent principalement sur trois axes :
- Améliorer la résistance à l’usure sur les courbes serrées et les lignes à forte charge, avec des nuances dont la résistance à la traction peut atteindre environ 1 400 MPa.
- Renforcer la tenue à la fatigue de contact roulant pour des nuances dépassant 1 100 MPa, tout en conservant une ténacité et une soudabilité suffisantes.
- Prolonger la durée de service des appareils de voie, notamment des cœurs d’aiguillage, au moyen de composants bainitiques évalués dans plusieurs réseaux.
Composition chimique et propriétés mécaniques indicatives d’aciers bainitiques allemands, américains et britanniques
| Country | C % | Si % | Mn % | Cr % | Mo % | V % | B % | Mpa |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allemagne | 0.40 | 1.50 | 0.7 | 1.10 | 0.80 | 0.10 | – | ＞1300 |
| États-Unis | 0.26 | 1.84 | 2.0 | 1.94 | 0.44 | – | 0.003 | ＞1531 |
| Royaume-Uni | 0.10 | – | 1.0 | 2.00 | 0.5 | Ni3.0 | 0.003 | ＞1000 |
Le développement des lignes à grande vitesse et à fort tonnage repose sur une maîtrise toujours plus précise de la métallurgie des rails. Les progrès portant sur la propreté de l’acier, la microstructure, les traitements thermiques, la soudabilité et le contrôle qualité contribuent à améliorer la fiabilité et la durée de vie des infrastructures.
