Principales dégradations de l’acier des rails
- Usure verticale et latérale de la tête du rail, notamment dans les courbes et les zones fortement sollicitées.
- Ondulation du rail liée à l’interaction dynamique roue-rail, aux caractéristiques du matériau, à la géométrie de la voie et aux conditions d’exploitation et d’entretien.
- Fatigue de contact, fissures, écaillage, décollement de matière, défauts de soudure ou rupture sous l’effet combiné des charges répétées, des contraintes résiduelles, des défauts métallurgiques et des conditions de service.
L’acier pour rails doit donc offrir une combinaison adaptée de résistance à l’usure, de dureté, de résistance mécanique, de ténacité, de résistance à la fatigue et de soudabilité. Le choix de la nuance dépend du trafic, de la charge à l’essieu, du rayon des courbes, de la méthode de soudage et de la stratégie d’entretien.
Principaux types d’acier pour rails
Selon leur composition et leur procédé de fabrication, les aciers utilisés pour les voies ferrées peuvent être regroupés en trois grandes catégories :
Acier au carbone
Les rails en acier au carbone sont laminés à partir de demi-produits sidérurgiques dont la composition chimique est soigneusement contrôlée. Le carbone contribue à la dureté, à la résistance mécanique et à la résistance à l’usure, tandis que le manganèse et le silicium participent notamment à la résistance et à la maîtrise de la métallurgie. Les teneurs admissibles varient selon la nuance et la norme applicable ; elles ne dépendent pas directement de la composition naturelle du minerai.
Acier allié ou microallié
Un acier pour rails allié ou microallié contient des quantités contrôlées d’éléments tels que le chrome, le vanadium ou le molybdène. Selon la formulation et le traitement, ces additions permettent d’ajuster la trempabilité, la dureté, la résistance à l’usure et la tenue à la fatigue. Les performances doivent toujours être évaluées par rapport à une nuance et à une norme précises.
Acier traité thermiquement
Les rails traités thermiquement sont soumis à un chauffage et à un refroidissement contrôlés, généralement au niveau de la tête. Ce procédé affine la structure perlitique et augmente principalement la dureté, la résistance mécanique et la résistance à l’usure de la surface de roulement. Il peut ainsi prolonger la durée de service dans les zones très sollicitées, sous réserve d’un choix correct de la nuance, de la soudabilité et des conditions d’exploitation.
Composition chimique de l’acier pour rails
La composition chimique exacte dépend de la nuance et du référentiel applicable, par exemple EN, AREMA ou une norme nationale. Les fonctions générales des principaux éléments sont résumées ci-dessous ; les limites de teneur doivent être vérifiées dans la norme et le certificat matière du produit concerné.
| N° | Élément | Fonction |
|---|---|---|
| 1 | C | Le carbone augmente la dureté, la résistance mécanique et la résistance à l’usure. Une teneur excessive peut toutefois réduire la ductilité, la ténacité et la soudabilité. |
| 2 | Si | Le silicium est utilisé comme désoxydant et contribue à la résistance de l’acier. Sa teneur est limitée en fonction de la nuance afin de préserver l’équilibre entre propriétés mécaniques et soudabilité. |
| 3 | Mn | Le manganèse contribue à la résistance et à la trempabilité. Il se combine aussi avec le soufre et aide à limiter les effets défavorables de celui-ci. La teneur requise dépend de la nuance. |
| 4 | Cu | Le cuivre peut améliorer la résistance à la corrosion atmosphérique dans certaines compositions. Une teneur excessive ou un procédé mal maîtrisé peut favoriser la fragilité à chaud et des défauts de surface. |
| 5 | P | Le phosphore est généralement limité, car il peut réduire la ductilité et la ténacité, en particulier à basse température. La valeur maximale dépend de la norme et de la nuance. |
| 6 | S | Le soufre est généralement limité afin de réduire les inclusions et les risques de défauts internes ou de fissuration. La valeur maximale dépend de la norme et de la nuance. |
Propriétés mécaniques de l’acier pour rails
- Résistance mécanique
La résistance mécanique caractérise la capacité du matériau à supporter des contraintes sans déformation excessive ni rupture. La résistance à la traction correspond à la contrainte maximale atteinte lors d’un essai de traction. La limite d’élasticité correspond à la contrainte à partir de laquelle une déformation plastique permanente apparaît selon le critère d’essai retenu. Ces valeurs s’expriment généralement en MPa.
- Ductilité
La ductilité est l’aptitude d’un matériau à subir une déformation plastique avant rupture. Elle peut notamment être évaluée par l’allongement après rupture, calculé à partir de l’augmentation de la longueur entre repères rapportée à la longueur initiale, et par la striction, calculée à partir de la réduction de la section au point de rupture rapportée à la section initiale.
- Dureté
La dureté traduit la résistance de la surface à la pénétration d’un corps plus dur. Pour les aciers de rail, elle est souvent mesurée selon la méthode Brinell et exprimée en HBW ; d’autres méthodes, comme Rockwell, peuvent être utilisées selon la spécification.
Une corrélation empirique peut exister entre la dureté et la résistance à la traction pour une famille d’aciers donnée. Elle ne constitue toutefois pas une formule universelle : la conversion dépend du matériau, de sa microstructure, de la méthode d’essai et des unités employées.
- Ténacité au choc
La ténacité au choc caractérise la capacité du matériau à absorber de l’énergie sous un chargement rapide avant de se rompre. Elle peut être évaluée par un essai de choc, dont le résultat est exprimé selon la méthode et la norme d’essai applicables.
- Résistance à la fatigue
Sous des charges répétées, des fissures peuvent s’amorcer puis se propager même lorsque la contrainte maximale reste inférieure à la résistance statique du matériau. La résistance à la fatigue décrit l’aptitude de l’acier à supporter ces sollicitations cycliques pendant une durée donnée sans défaillance.
Dureté indicative des aciers pour rails laminés à chaud
| Nuance | Résistance à la traction / MPa | Dureté / HB |
|---|---|---|
| U75V | ≥980 | 280–320 |
| U78CrV | ≥1080 | 310–360 |
| U76CrRE | ≥1080 | 310–360 |
| U77MnCr | ≥980 | 290–330 |
Dureté indicative des aciers pour rails traités thermiquement
| Nuance | Résistance à la traction / MPa | Dureté / HB |
|---|---|---|
| U75V | ≥1180 | 320–380 |
| U78CrV | ≥1280 | 370–420 |
Ces valeurs sont données à titre indicatif pour les nuances mentionnées. Les exigences finales doivent être vérifiées dans la norme, la spécification d’achat et le certificat matière applicables.
