钢轨

钢轨是轨道结构的重要部件，承担着引导车轮、传递载荷的作用，需要具备足够的强度、稳定性和耐磨性^[2]。钢轨断面形状采用工字型，以使钢轨具有最佳抗弯能力，钢轨由轨头、轨腰和轨底组成^[3]。

钢轨类型和强度以每米长度的大致质量（千克数）表示^[4]，如中国现行标准钢轨类型有43kg/m，50kg/m、60kg/m、75kg/m等^[3]。中国钢轨标准长度：43kg/m长度为12.5m或25m；50kg/m以上钢轨长度为25m、50m、100m三种，无缝线路一般采用钢厂生产的100m钢轨（百米定尺轨）运到焊轨厂焊成500m长轨，再运到工地现场焊接成需要的长度^[5]。

中国钢轨生产企业主要有攀钢集团有限公司（简称攀钢）、鞍山钢铁集团有限公司（简称鞍钢）、包头钢铁（集团）有限责任公司（简称包钢）、武汉钢铁（集团）公司（简称武钢）和邯郸钢铁集团有限责任公司（简称邯钢）等^[1][6]。

从某种意义上说，钢轨的发展史，也是铁路的发展史，没有钢轨技术的进步，重载和高速铁路技术难以发展，钢轨质量对铁路运输的安全和效率有着重要影响^[7]。

欧洲工业革命开始前，轨道都是采用长木材制成，这些木材宽约几英寸，在木轨道下方，每隔两到三英尺会横向放置一段木头做枕木，枕木主要用来固定木轨，使其保持规定的宽度。其上方行驶的车轮也是木制的，那时还不能大规模生产钢铁，铁也是很贵的材料^[8]，木质轨道很容易磨损，后来人们在它的表面贴上薄薄的长铁片，用钉子固定在轨道上，这样不仅能延长轨道使用寿命，还可以减少摩擦阻力，这便是最原始的铁轨^[8]。

随着炼铁技术的进步，1767年世界上出现了第一段铁轨，所用的材料是可锻铸铁。1830年英国人维格诺利斯和美国人史文斯设计出了断面为“倒T”形状的钢轨。1831年生产的铸铁轨道长约1.8米，呈鱼腹形，横断面是L形，这些设计都可以增加强度，轨道的两端可以固定在枕木上。用这种铸铁轨道铺成的铁路被称为“板式铁路”，它主要用于连接煤矿、铁矿和炼铁厂^[9]。1839年，用于连接英国伦敦和克罗伊登铁路的Vignoles铁轨是工字形的，它可以使用道钉很方便地固定在枕木上^[8]。随着大规模液态钢铁冶金技术的发展，比铁轨更坚硬的钢轨在1857年被制造出来，并于1857年在英国轧制成功。钢轨逐渐演变成工字型，冶炼和轧制工艺逐渐成形^[8]。1964年法国首先采用万能轧机轧制钢轨，整个钢轨断面在水平辊gǔn和垂直辊同时作用下对称加工成型^[10]。此后日本也采用万能法轧制为高速铁路生产钢轨^[11]。

1876年，中国土地上出现了第一条铁路——吴淞铁路，轨距762mm，轨重13kg/m。中国第一次自己生产钢轨是在修筑唐胥铁路时，1880年由开平矿区生产，唐胥铁路全长9.7km，采用1.435mm的轨距和15kg/m的钢轨。1893年，张之洞着手开采大冶铁矿并创办汉阳铁厂，汉阳铁厂于1894年建成，是以炼铁、炼钢、轧钢为主体的钢铁厂，产品有生铁、钢轨、钢锭（坯）和多种规格的方、扁、角、工字、槽形、丁字、八角钢及板材等^[12][13][14]。经过不断改造，汉阳铁厂在1902年开始大量生产，生铁产量达到15825吨^[12]。自此，中国开始了为修建铁路而自造钢轨的现代化钢铁工业历程^[7]。1911年由清邮传部制定了我国首项钢轨标准《奏定八十五磅钢轨及附属品制造验收通行章程》，对统一钢轨的轨型、制造和验收，起到了重要作用^[7]。1922年中华民国制定了《中华民国国有铁路钢轨及扣件规范书》，该标准仅包含1种43kg/m的钢轨轨型^[7]。

中国的近代钢轨制造可以划分成三个阶段：汉阳铁厂开办以前的1870~1896年；汉阳铁厂开办后，以汉阳铁厂制钢轨为主的1896~1926年；汉阳铁厂停产后的1926~1949年^[15]。中国钢轨生产制造企业在20世纪70年代开始对炼钢进行技术改造，转炉炼钢替代平炉炼钢，2003年起，国内钢厂开始引进国外先进设备，万能轧制取代孔型轧制，钢轨几何尺寸和平直度控制水平等均大幅提升。2004年，攀钢集团有限公司建成国内第1家万能生产线，采用万能轧制工艺生产制造100m定尺长钢轨，2004年12月生产制造出国内第1支100m长定尺钢轨。之后，国内其他钢轨生产制造企业先后完成现代化的技术改造，均具备现代化生产钢轨的能力^[16]。2007年我国颁布了新标准GB2585-2007，新增了60kg/m的重轨和75kg/m的重机轨^[17]。

现代铁路钢轨轨型均为工字形。工字形断面最早由美国工程师史蒂文斯于1830年设计^[18]，中国称为工字形断面，国外称为T形钢轨^[19]。钢轨轨型旧时称为轨式、样式，现在钢轨标准称为轨型^[3]。美国标准将轨型称为钢轨断面；欧洲标准称为钢轨廓形；日本标准称为钢轨类型^[6]。

钢轨轨型有轻轨（9~30kg/m钢轨)，有轨电车用槽型轨，起重机钢轨，重轨（38kg/m及以上，实际有38、43、50、60、75kg/m），道岔钢轨等，其中应用最多也最广泛的是重轨^[6]。道岔钢轨由于受力和加工的需要，欧洲标准将其归为3类：非对称钢轨、对称厚腰钢轨和对称全腰钢轨^[20]。目前中国纳入标准的道岔用轨只有非对称钢轨，如50AT1、60AT1等^[21]。中国铁路干线大量使用60kg/m钢轨；美国铁路轴重大（达30~35t），主要使用68kg/m（136RE）钢轨^[6]。

钢轨牌号根据不同化学成分分为U71Mn、U75V、U77MnCr、U78CrV、U76CrRE等^[3]。

钢轨按交货状态分为热轧轨和热处理轨（即淬cuì火轨），无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）及在线热处理钢轨（利用轧制余热对其进行热处理不再二次加热）^[6]。按热处理钢轨中化学成分的不同，又可分为碳素热处理钢轨、微合金热处理钢轨和低合金热处理钢轨^[3]。

钢轨还可以按照钢种、力学性能、金相组织等划分。

按钢种划分，钢轨可以分为碳素轨、微合金轨和低合金轨三种。中国生产的碳素轨为高锰中碳轨；微合金轨是在原铁矿石中加入适量的合金元素如钒、钛、铬、钼mù之后冶炼轧制而成的钢轨，这种钢轨的强度和韧性高于碳素轨；低合金轨是钢中加入低量合金，如钢中加入0.80％～1.20％Cr的EN320Cr^[22]。

按力学性能划分，钢轨可分为普通轨、耐磨轨和高强度轨。根据最低的抗拉强度有780MPa、880MPa、980MPa、1180MPa、1200~1300MPa。抗拉强度780MPa钢轨（如欧洲EN220、中国U74等）；抗拉强度880MPa（如EN260、EN260Mn、UIC900A、中国U71Mn等）；抗拉强度980MPa钢轨（如美国AREA普通钢轨，中国PD3，BNbRE热轧轨）；抗拉强度1080MPa钢轨（如EN320Cr合金钢轨，日本HH340在线热处理钢轨）、1180MPa（如日本HH370在线热处理钢轨，EN350HT，EN350LHT，中国PD2淬火钢轨）和1200～1300MPa（微合金或低合金热处理钢轨，如中国PD3淬火钢轨等）。一般强度为1080MPa及以上的钢轨被称为耐磨轨或高强度轨。

按金相组织划分，钢轨可分为珠光体轨、贝氏体轨、马氏体轨、过共析珠光体轨^[23]。

钢轨制造主要包括冶炼、坯料、轧钢和精整工序，钢轨生产过程经过电弧炉、钢包炉、真空脱气罐、连铸机铸连铸坯以及钢轨轧制，轧制精整后钢轨需要经过集中检测，以确保钢轨满足各项技术要求^[10]。以高速铁路钢轨生产为例，国内外钢轨生产工艺及设备见下表。

钢轨在极其复杂的受力条件下工作，钢轨状态的好坏直接影响行车安全，钢轨性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳^[3]。对钢轨使用要求是十分严格且钢轨有些性能之间是矛盾的，需要综合选择。钢轨应满足以下使用要求：

（1）较高强度和硬度，以达到较高的承载能力和较长的使用寿命。

（2）较高的抗疲劳伤损的安全可靠性，防止轨头内侧剥离及可能由此引起的钢轨横向断裂。

（3）较强的抗不均匀磨耗性能和钢轨全长范围内硬度的均匀性，避免引起波纹、波浪等不均匀磨耗。

（4）良好的焊接性能，以便采用无缝线路。

（5）良好的道岔机加工性能以获得良好的道岔质量。

（6）化学成分便于进行热处理，以提高钢轨的强韧性。

（7）严格的尺寸公差及钢轨工作边平顺性，减少轨道周期性不平顺^[25]。

钢轨定尺长度反映国家的钢轨生产水平和管理水平。国外钢轨定尺长度情况为：日本150m（实际应用为50m）、德国120m、法国80m、美国24.4m（80英尺）、俄罗斯25m^[7]。

中国在20世纪50年代钢轨制造初期，受冶金水平限制生产定尺长度12.5ｍ的钢轨；后来随着装备水平的提高，生产了定尺长度25ｍ的钢轨；2000年后经钢轨生产线改造，目前可以生产定尺长度50m、100m的钢轨。

钢轨长定尺生产具有如下优点：

（1）减少接头数量。接头数量越少铁路运营安全性越高，同时因平顺性提高，一方面增加了旅客舒适性，另一方面大幅减少钢轨焊接工作量和线路维养工作量^[25]。

（2）去掉轨端探伤盲区。钢轨生产过程中采用在线探伤，两端至少有0.3～0.5m钢轨不能准确探伤，而钢轨定尺长度为12.5m或25m时，两端锯切量不足0.5m，导致轨端存在探伤盲区。

（3）去掉轨端矫直盲区。钢轨生产采用平立复合辊矫，钢轨进出矫直机时两端至少有1m钢轨矫直不充分，所以钢轨定尺长度为12.5m或25m时存在矫直盲区；同时，轨端压下量与钢轨本体压下量不同，表现为两端钢轨轨高比本体高出0.3～0.5mm，这对保证钢轨轨高一致性从而保证轨道的平顺性不利^[6]。

百米定尺钢轨的研制成功，为中国高速铁路建设奠定了坚实基础^[6]。

钢轨伤损指钢轨发生折断、裂纹及其他影响和限制钢轨使用性能的各种状态^[26]，按伤损程度，分为不到轻伤、轻伤、重伤、折断四类。

钢轨伤损类型有擦伤、裂纹、核伤、掉块、细裂纹、裂缝、剥离掉块、剥离裂纹、磨耗、波浪磨耗、凹陷、压溃、压陷、折叠裂纹、锈蚀、疲劳断裂、脆性断裂、折断等^[26]。

在役钢轨出现的主要问题是钢轨重伤，如轨头磨耗、波浪磨耗、波浪弯曲、孔裂、轨腰裂纹、弯道的侧磨和剥离掉块等^[27]，轨头磨耗通常表现为钢轨在轮轨摩擦力和接触应力的作用下，在钢轨头部发生的沿全长的磨损。波浪磨耗是钢轨踏面在全长出现周期性高低不平的波浪状磨耗，轨头下颚和整个断面保持平直。波浪弯曲是钢轨沿纵向在踏面呈现明显的波浪状不平顺，轨头下颚及轨身均随钢轨踏面呈现周期性的弯曲。轨头压溃指发生在轨头踏面处，由被压溃的金属所形成的飞边。孔裂指钢轨在列车冲击载荷作用下，在螺栓孔边角处由于存在应力集中或其他缺陷而造成的裂纹。这种裂纹受载荷反复作用而扩展，甚至发生断裂^[27]。

国际钢轨最新研究动向是高强度钢轨，主要研究方向分为过共析珠光体钢轨、马氏体钢轨和贝氏体钢轨^[28][29][30]。

日本新日铁公司提出通过增加珠光体片中渗碳体相密度来提高耐磨性能，研究了过共析钢在钢轨上的应用。过共析钢轨耐磨性比传统热处理共析钢轨提高20%，焊接性能接近热处理钢轨^[22]。

英钢联研究开发了低碳马氏体钢轨，并申请了专利^[31]，这种钢轨其耐磨性与珠光体热处理钢轨相似，但韧性高。

新的高强度钢轨研发重点主要集中在贝氏体钢轨上，法国、日本从提高抗接触疲劳性能角度研制的贝氏体钢轨已经上道试铺，效果良好。英国研制的贝氏体辙叉上道试用，情况良好^[22]。美国研制了J6贝氏体型钢轨，抗拉强度可达到1500MPa，已在北美得到广泛应用^[31]。

中国采用Mn-Si-Cr合金钢体系研制贝氏体钢轨，不含或少含昂贵元素，合金成本较低，具有更好的焊接性能和抗剥离掉块能力。但相对强度较低，抗拉强度一般不超过1400MPa。中国研制的贝氏体钢轨已较大范围应用到重载铁路道岔，并初步批量应用于铁路曲线区段和直线轨上^[32][31]。