高铁及既有线铁路工务钢轨基本知识

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0.02 0.10 0.15 0.030 0.020 0.025
0.01
- 0.35
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0.20
三、钢轨钢的组织与性能
3.1 钢轨钢的组织 珠光体、贝氏体、马氏体
3.2 钢轨钢的性能 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳、耐磨、焊接
三、钢轨钢的组织与性能
3.1 钢轨钢的组织 珠光体
珠光体钢轨钢的组 织是由铁素体片和 渗碳体片交替构成， 其中铁素体是软韧 的相，而渗碳体是 硬脆相。
U77MnCr热轧钢轨；
1080MPa级，如EN320Cr合金钢轨，日本HH340在线热处
理钢轨；
1180MPa级和1280 MPa级热处理钢轨，
一般，强度等级为1080MPa及以上的钢轨才被称为耐磨轨 或高强轨。
目前，我国铁路常用的钢轨有U75V/U75VG、 U71Mn /U71MnG（U71Mnk）、U77MnCr、U78CrV、U76CrRE及其 热处理钢轨。
美国、法国、德国、中国等国家钢轨断面单重及长度
国别
美国
俄罗斯 日本 法国 德国 中国
钢轨断面单重(kg/m)
钢轨长度（m）
AREA115(57 kg/m)、AREA119(60 kg/m) 、AREA132(65 kg/m)、AREA133(66 kg/m)、AREA136(68 kg/m)、 AREA147(73 kg/m)
39ft(12m) 、78ft(24m)、 82ft(25m)
50、65、75 30、37、40、50、60
54、60 54、60 38、43、50、60、75
12.5、25 25、50 36、75（76） 36、120 12.5、25、75、100
一、钢轨的断面、定尺长度及类型
钢轨分类
（1）按钢轨单重分 （2）按钢轨断面分 （3）按钢轨化学成分分 （4）按交货状态分 （5）按钢轨最低抗拉强度分
（4） U78CrV（PG4）钢轨
2005年，60kg/mPG4钢轨先后在北京、上海、太原、郑州 铁路局等小半经曲线上铺设上道。使用结果表明，PG4在 线热处理钢轨在曲线使用的耐磨寿命明显高于U75V热处理 钢轨。2007年，75kg/m PG4钢轨在大秦重车线铺设进行使 用考核。在R800的曲线上使用，通过总重达到12亿吨；在 直线上使用，寿命达到15亿吨以上。2008年，75kg/m PG4 钢轨在大秦重车线开始批量使用。2009年后，大秦重载铁 路大修换轨全部采用PG4钢轨，在直线上铺设未热处理钢 轨，在小于1200m的曲线上下股均铺设在线热处理钢轨。 使用情况良好。
（2）按钢轨断面分
对称断面和非对称断面钢轨
对称断面钢轨 干线、支线、站线等线路用轨 非对称断面钢轨 主要用于制作道岔钢轨如尖轨、叉心轨或 翼轨。例如我国铁路使用的50AT、60AT、60D40、60TY等。 此外，还有电车用槽型轨、起重机轨等。 钢轨的断面图见铁道行业标准TB/T2344-2003以及相应的暂行 技术条件。
U71MnG钢轨为高速铁路用钢轨，性能指标同 U71Mn，化学成分略有不同，主要C、S、P、V、 Al含量略有差异。
（2） U75V/U75VG 钢轨
U75V为含钒微合金钢轨（以前曾称之为PD3钢轨）, 其强度980MPa级，轨顶面硬度280-320HB。目前 在我国铁路的繁忙干线上广泛使用。
U75VG钢轨为客货混运高速铁路用钢轨，在化学成 分上与U75V钢轨的区别，主要S、P、V、Al含量略 不同。
U75V、U77MnCr热轧钢轨的最低抗拉强度为980MPa，热处 理后可达到1230MPa;
U71Mn 和U71MnG热轧钢轨的最低抗拉强度为880MPa， U71MnG为350km/h高速铁路用钢轨；
U75V/U75VG为时速250km/h高速铁路用钢轨；
U77MnCr、U78CrV、U76CrRE多为载铁路用钢轨。
（5） U76CrRE钢轨
U76CrRE钢轨为包钢在BNbRE钢轨基础上开发的新 钢种，其强度等级为980MPa ，轨顶面硬度310360HB，有较好的韧、塑性，焊接性优良。
（6） 贝氏体钢轨
重载铁路用贝氏体钢轨 主要性能指标： 轨头部位硬度38 HRC～42HRC（350 HB～390HB）； 其他部位硬度≥36 HRC； 抗拉强度Rm:1200MPa～1300 MPa， 屈服强度Rp0.2≥900 MPa， 断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥30%； 常温下U型缺口冲击功Ak≥80J； 组织：空冷条件下全断面均为贝氏体组织。
（6） 贝氏体钢轨
2002年，铁科院和鞍钢合作在国内首次成功试制出了空冷贝氏 体钢轨，并完成了贝氏体钢轨闪光焊接、小型气压焊接和铝热 焊接等试验研究。贝氏体轨钢的强度和韧塑性配合极好，韧性 指标是珠光体钢轨钢的3～5倍。研制成功的贝氏体钢轨先后在 沈山线、成渝线及石太线上道试铺。使用结果表明，贝氏体钢 轨的抗接触疲劳性能、耐磨性能明显优于珠光体钢轨。
钢牌号
Cr Mo Ni Cu Sn Sb Ti
Nb
V
Cu+10 Sn
U71Mn /U71M 0.15 0.02 0.10 0.15 0.030 0.020 0.025 0.01 0.030 0.35
nG
U75V /U75VG
0.15
0.02
0.10
0.15
0.030 0.020 0.025
0.01
- 0.35
（3） U77MnCr钢轨
2006～2007年，铁科院与鞍钢合作，研制了60kg/m、 75kg/m U77MnCr高强钢轨，钢中含铬0.25～0.40%， 热轧钢轨强度≥980MPa级，热处理后硬化层硬度为 39～43HRC；抗拉强度大于1280 MPa，断后伸长 率大于12%。钢轨的焊接性能良好。
钢轨基础知识
主要内容
一、钢轨的断面、定尺长度及类型 二、钢轨材质 三、钢轨的组织及性能 四、钢轨热处理
一、钢轨的断面、定尺长度及类型
车轮直接与钢轨接触，运动车轮作 用于直线轨道钢轨上的力主要是竖 直力，并使钢轨挠曲。如果把钢轨 视为支撑在连续弹性基础上的无限 长梁，而梁抵抗挠曲的最佳断面形 状为工字形。因此，钢轨采用工字 形断面，由轨头、轨腰和轨底三部 分组成。
重载铁路用新的钢种如U77MnCr、 U78CrV（原PG4）、贝氏体等， 它们的轧态强度级别分别为 980MPa、1080MPa、1200MPa。
（1）U71Mn/U71MnG钢轨
U71Mn钢轨为我国至今使用时间最长的钢轨，其 强度等级为880MPa ，轨顶面硬度260-300HB，有 较好的韧、塑性，焊接性优良。
43kg/m钢轨
50kg/m钢轨
60kg/m钢轨
75kg/m钢轨
60kg/m钢轨
50AT钢轨
60AT钢轨
60D40钢轨
60TY钢轨
（3）按钢轨的化学成分分
碳素轨
钢中无合金元素加入，又称普通轨钢
微合金轨
钢中加入微量合金元素如V、Nb、Ti等
低合金轨
如钢中加入0.80~1.20％Cr的EN320Cr
一、钢轨的断面、定尺长度及类型
1865年美国首先用轧制方法生 产工字型断面的钢轨，其单重 为22.6kg/m。从那时起直到现 在，经历了150余年，钢轨断 面形状几经修改变化，但基本 上保持了当时所设计的工字型 断面。随着铁路运行速度和轴 重的增加，钢轨断面形状不断 得到改进，尺寸也随之不断增 大。
因贝氏体合金成分含量高，价格较贵，未大批量的推广使用。 目前，包钢在进行贝氏体钢轨的研究、试制和小批量的试用。
钢轨化学成分（熔炼分析）
钢牌号
化学成分(质量分数)％
C
Si
Mn
P
S
U71MnG U75VG U71Mn U75Va U77MnCr U78CrVb U76CrREc
0.65～
0.75 0.71～
Cr+Mo +Ni+Cu
0.35
0.35
Ni+Cu -
U77Mn Cr
-
0.02 0.10 0.15 0.030 0.020 0.025
0.01
0.030 0.35
-
0.20
U78CrV - 0.02 0.10 0.15 0.030 0.020 0.025 0.01
- 0.35
-
0.20
U76CrR E
（4） U78CrV（原PG4）钢轨
2005～2007年，铁科院与攀钢合作开展了60kg/m、 75kg/mPG4含铬低合金高强耐磨钢轨的研发、试制、 试铺和使用考核工作。
PG4钢轨钢中含铬≤0.70%，热轧钢轨的硬度大于 320HB，抗拉强度大于1100 MPa，断后伸长率大于 8%；热处理钢轨距离轨头顶面3mm的硬度为 40.5HRC～43HRC，硬化层抗拉强度大于1280 MPa，断后伸长率大于10%。焊接性能良好。
1.05 0.80～
1.10 0.70～
1.05 0.80～
1.10
≤0.025 ≤0.025 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025
≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025
a 75kg/m以及在线热处理钢轨要求P≤0.025%。 b U78CrV为原PG4。 C U76CrRE中的RE加入量大于0.02%。
珠光体组织扫描电镜照片
珠光体可分为一个个 亚晶粒，称之为珠光 体领域（colony）， 领域内的铁素体和渗 碳体片基本平行,遇 到晶界后其取向改变。 几个珠光体领域又构 成珠光体团 （nodule）。
我国曾从国外进口了较多的热处理钢轨，如日本的 离线热处理钢轨U78、NHH以及在线热处理钢轨 DHH，卢森堡在线热处理钢轨CHHR以及部分普通钢 轨。
二、钢轨材质
钢轨的化学成分除钢中的五大基本元 素C、Si、Mn、S、P外，还有合金元素 如Cr、V、Nb以及钢中的残留元素等。
关于钢轨钢的命名： 第一个字母U，代表 轨钢（轨字汉语拼 音GUI的第二个字 母）,后面的数字代 表平均含碳量，再 后面的字母代表合 金化的元素，如 U75V代表平均含碳 量为0.75%、采用钒 合金化的钢轨钢。
（4）按交货状态分
热轧钢轨和热处理钢轨
不论钢轨强度多少，凡是以热轧状态交货，均称之为热 轧钢轨。
热处理钢轨依其工艺条件又可分为离线热处理钢轨（钢 轨轧制冷却后再重新加热热处理）及在线热处理钢轨（利用 轧制余热对其进行热处理）。
（5）按钢轨的强度级别分
780MPa级，如日本JIS60、中国U74等； 880MPa级，如UIC900A，中国U71Mn等； 980MPa级，如美国AREMA普通钢轨，中国U75V热轧轨，
（3） U77MnCr钢轨
2006年11月，60kg/mU77MnCr在郑州铁路局上道试 铺，使用情况良好。 2007年，75kg/m U77MnCr钢轨在大秦重车线铺设上 道，进行使用考核。结果表明，在R800的曲线上使 用，通过总重达到12亿吨；在直线上使用，寿命达 到15亿吨以上。2008年，75kg/m U77MnCr钢轨在大 秦重车线开始批量使用。
国内主要钢种
我国既有铁路直线广泛使用强度等级为880MPa的U71Mn和 980MPa的U75V钢轨，曲线主要使用强度级别1180Mpa级及 以上的U75V热处理钢轨。 高速铁路主要使用U71MnG、U75VG热轧钢轨。 重载铁路直线主要使用U75V热轧钢轨，曲线主要使用强度 级别1280级及以上的热处理钢轨。
（1）按钢轨单重分
分为重轨和轻轨
我国铁路将50kg/m及以上的钢轨称之为重型钢轨（简称重 轨），50kg/m以下，如38、43kg/m等称之为轻轨。 我国铁路干线主要采用60kg/m钢轨，站线采用50kg/m钢轨， 大秦等重载铁路采用75kg/m钢轨。在一些专用线上采用 38kg/m~43kg/m钢轨，在地铁或城铁上多数采用 50~60kg/m钢轨。
0.80 0.65～
0.76 0.71～
0.80 0.72～
0.82 0.72～
0.82 0.71～
0.81
0.15～
0.58 0.50～
0.70 0.15～
0.58 0.50～
0.80 0.10～
0.50 0.50～
0.80 0.50～
0.80
0.70～
1.20 0.75～
1.05 0.70～
1.20 0.75～
Cr
V
Al
-
-
-
0.25～
0.40 0.30～
0.50 0.25～
0.35
≤0.030
0.04～ 0.08
-
0.04～ 0.12
-
0.04～ 0.12
0.04～ 0.08
≤0.004 ≤0.004 ≤0.010 ≤0.010 ≤0.010 ≤0.010 ≤0.010
残留元素上限
化学成分/(％质量分数)