Применение металлов и сплавов на железнодорожном транспорте

Повышение качества материалов, расширение сортамента металлопродукции и экономия металла при сохранении необходимых эксплуатационных прочностных и пластических свойств - основная цель металлургии во все времена. Для уменьшения габаритов ответственных и высокоответственных деталей, и, как следствие, значительного уменьшения веса и металлоемкости, за счет обеспечения необходимых эксплуатационных свойств (механических, коррозионных и т.п.) направленным изменениям структуры металла. Данные изменения можно достичь следующими путями: введением добавок (лигатуры) различных элементов в химический состав углеродистой стали; различные варианты термической обработки детали, обеспечивающей образование необходимых структурных составляющих и т.п. Именно поэтому конструктору, проектирующему особо ответственные детали и конструкции, необходимо в точности представлять и понимать всю ответственность за неправильный выбор материала или несоответствующих уровень механических свойств.
Железнодорожный рельс – одна из наиболее ответственных высоконагруженных конструкций, от целостности которого зависит жизнь и здоровье человека. Кроме того, за последние сто лет нагрузка на рельс возросла более чем в пять раз, поэтому требования по твердости, прочности, износостойкости материала рельса стали более жесткими, чем раньше. В данной работе будет рассмотрена рельсовая сталь, показаны принципы обеспечения требуемого химического состава, структуры металла, а также показаны требования по уровню механических свойств.
Рельсы бывают двух групп: группа 1 – из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали хрупкие строчечные включения; группа 2 – из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганцеалюминиевым сплавом

.
Для основных марок рельсовых сталей состав регламентирован ГОСТ Р 554 97-2013. Стандарт устанавливает, что основа стали – железо, а остальные элементы вводятся в строго установленном количестве.
Так, углерод (от 0,71 до 0,82%), усиливает механические свойства примерно вдвое. В стали углерод вместе с молекулами железа образует карбиды – цементит. Марганец (0,25 до 1,05%) улучшает ударную вязкость, а также повышает износостойкость и твердость. Кремний (от 0,18 до 0,4%) требуется для удаления кислородных примесей, а значит и для оптимизации внутренней кристаллической структуры материала. Ванадий (от 0,012 до 0,08% в зависимости от конкретной марки стали для изготовления рельсов) важен для обеспечения достаточной контактной прочности. В соединении с углеродом ванадий образует карбиды, повышающие предел выносливости (а именно нижний его порог). Как видно, состав рельсовых сталей близок к эвтектоидной стали.
Отдельного рассмотрения заслуживают нежелательные или даже вредные примеси, вычленить которые до конца с помощью современных технологий пока не удается. Азот (от 0,03 до 0,07%) плох тем, что минимизирует эффект легирования стали