Thép ray tàu được sử dụng để làm đường ray. Thép phải cứng bề mặt và có xu hướng chống sự rạn nứt, đứt gãy. Các yêu cầu đạt được là do sự lựa chọn khắc nghiệt về thành phần cấu tạo hóa học của thép và kiểm soát chặt ché về nhiệt độ khi nung, cán, luyện thép.
Thành phần hóa học của thép ray
Trước khi tiến hành quá trình nhiệt luyện thép, độ bền và độ cứng tự nhiên của thép ray phải được kiểm soát bởi thành phần hóa học các nguyên tố cấu tạo nên thép. Tất cả những đặc tính của thép phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm của carbon và mangan. Carbon có tỷ lệ lớn nhất 0.82%, mangan lớn nhất là 1.7% là cần thiết để tạo nên độ cứng bề mặt cho thép ray.
Cấu trúc vi mô của thép ray
Thép được sử dụng để làm ray có kết cấu vi mô rất khác nhau từ thép nhẹ có thành phần carbon thấp cho ray trượt. Cấu trúc vi mô của thép hàm lượng carbon thấp được tạo bởi sắt và sắt cacbua. Cấu trúc vi mô còn được tạo bởi các hạt đá trân châu. Nếu nghiên cứu dưới kính hiển vi siêu mạnh, bạn sẽ thấy màu xám nhẹ của sắt và màu tối nhẹ của hạt đá trân châu.
Nếu nghiên cứu qua thấy kính quang học, bạn chỉ nhìn thấy hạt đá trân châu. Nhìn qua ảnh chụp siêu vi mô, hạt đá trân châu dường như chỉ là một đường thẳng rất mảnh. Nó có thể được xem như lớp dát mỏng, trông như lớp dát.
Độ cứng và lực kéo, độ bền thì được quyết định bởi tỷ lệ hạt đá trân châu trong cấu trúc vi mô. Nó cũng được quyết định bởi sự cân đối trong cấu trúc đá trân châu. Khoảng cách giữa các lớp càng ngắn thì độ cứng, sức bền, sự chống rạn nứt càng cao.
Sức căng của thép ray
Sức căng của thép được tính toán kỹ lưỡng trên đơn vị Newton trên mỗi mm2. Thép mềm có sức căng khoảng 430N/mm2. Điều này có nghĩa là một sợi dậy điện có đường kính 1.4mm có thể chịu sức nặng của người đàn ông 70kg. Thép ray carbon cao có sức căng từ 900N/mm2 tới trên 1200n/mm2. Điều này có nghĩa dây điện chỉ có đường kính 0.6mm có thể chịu sức nặng người đàn ông có trọng lượng 70kg.
Độ cứng của thép
Độ cứng của thép được tính là chỉ số độ cứng Brindle (HB). Chỉ số ước tính của thép ray carbon cao là 280HB
Nhiệt trị thép ray
Độ mịn của cấu trúc đá trân châu được kiểm soát bới tốc độ làm nguội thép. Nhiệt trị được phát triển bằng cách kiểm soát quá trình làm nguội và cấu trúc vi mô do đó kiểm soát được độ cứng và sức căng, độ bền của thép.
Một vài mác thép được cuốn nóng và cho phép làm nguội tự nhiên trong không khí. Mác thép khác được làm nguội nhanh chóng bằng trên 8000C bằng cách sử dụng tia nước. Độ làm lạnh tăng dựa trên độ cứng của thép từ 260/300 HB tới 355/390 HB
Hệ thống phương pháp nhiệt trị hiện đại được gọi là nhiệt trị cán thép (Mill Heat Treatment). Điều này làm giảm khoảng cách đáng kể giữa các lớp đá trân châu và có thể sản xuất ra thép có độ cứng tới 400 HB.
Chống lại sự rạn nứt
Thép ray là loại thép phải miễn nhiễm với sự rạn nứt bên trong. Đặc tính này được tạo nên bởi sự mắc kẹt của khí hydro bên trong thép từ quá trình kim loại nóng chảy bị làm nguội. Hydro có thể được gỡ bỏ từ thép hoặc bằng một quá trình gọi là khử khí chân không của thép nóng chảy trước khi nó được đúc hoặc bằng cách cho phép ray nóng nguội xuống rất chậm.
Sức chịu đựng của thép ray
Thép ray phải chống lại sự chịu đựng của thép và sự nứt gãy bề mặt. Mục đích là làm cho khả năng chịu đựng của thép kéo dài. Thép được chọn phải cân bằng giữa vòng đời chịu đựng và sự mài mòn bề mặt. Nếu thép quá cứng thì dễ vỡ, nứt gãy bề mặt. Thép hơi mềm và nhẹ thì đường ray sẽ biểu bộ sự đứt gãy mới của bề mặt trước khi sửa chữa vết nứt cũ.
Chìa khóa để kéo dài vòng đời chịu đựng của thép là sản xuất thép không tạp chất. Người ta gọi là thép sạch.
Bảng kích thước
| Mác Thép | Chiều cao | Rộng đáy | Rộng mặt | Độ Dầy | Chiều dài |
| (mm) | (mm) | (mm) | (mm) | (m) | |
| P11 | 80.5 | 66 | 32 | 7 | 6 |
| P15 | 91 | 76 | 37 | 7 | 6-10 |
| P18 | 90 | 80 | 40 | 10 | 8-10 |
| P22 | 93.66 | 93.66 | 50.8 | 10.72 | 8-10 |
| P24 | 107 | 92 | 51 | 10.9 | 8-10 |
| P30 | 107.95 | 107.95 | 60.33 | 12.3 | 8-10 |
| P38 | 134 | 114 | 68 | 13 | 12.5 / 25 |
| P43 | 140 | 114 | 70 | 14.5 | 12.5 / 25 |
| P50 | 152 | 132 | 70 | 15.5 | 12.5 / 25 |
| QU 50 | 152 | 132 | 70 | 15.5 | 12.0 / 25 |
| QU 60/P60 | 176 | 150 | 73 | 16.5 | 12.0 / 25 |
| QU 70 | 120 | 120 | 70 | 28 | 12 |
| QU 80 | 130 | 130 | 80 | 32 | 12 |
| QU 100 | 150 | 150 | 100 | 38 | 12 |
| QU 120 | 170 | 170 | 120 | 44 |
12 |
