thumb|Le rail guide une roue ferroviaire qui comporte souvent un bandage et un boudin
thumb|Rail à gorge (type « Broca »)
Un rail est une barre d’acier profilée. Deux files parallèles de rails mis bout à bout forment une voie ferrée. Ils reposent alors généralement sur des traverses pour conserver un écartement constant.
Les rails servent à la fois de guide et de support de roulement pour les véhicules ferroviaires comme le train et le tramway. Étant conducteurs électriques, ils peuvent aussi être utilisés pour la transmission de signaux (circuits de voie) et pour le retour des courants de traction et des auxiliaires du train (la ligne de train pour le chauffage et la climatisation étant unipolaire sur les rames tractées).
Un système de transport fondé sur l’utilisation d’un seul rail est un monorail. Un (voire deux) rail(s) peut(peuvent) servir aussi à l’alimentation électrique (alimentation par troisième rail ou par troisième et quatrième rails).
Histoire
À Milan ou dans les docks de Londres, l'utilisation de bandes de roulements, composées de deux files parallèles de dalles en pierres ou de madriers de bois, a été une alternative au pavage complet des chaussées pour diminuer la résistance au roulement des chariots. Au départ les bandes étaient suffisamment larges pour qu'on puisse y maintenir manuellement les véhicules. Pour pouvoir utiliser des bandes plus fines, d'abord des solives en bois puis des rails en acier, il a fallu trouver un moyen de guidage du chariot sur ces railsDictionnaire de l'industrie manufacturière, commerciale et agricole , Alexandre Baudrimont 1833.
Au début du chemin de fer, le système actuel à rail saillant () a été en concurrence avec une technologie de voie à ornières ou rail plat ( ou ). Dans ce dernier système, le guide latéral qui permet de s'assurer que la roue reste en position sur le rail n'est pas situé sur la jante mais sur le côté du rail. Le rail plat, plus près du sol et donc plus stable, était moins onéreux à poser et on espérait pouvoir y faire circuler les chariots routiers sans les modifier. Il a été notamment utilisé dans les mines du pays de Galles, mais l'usage a montré qu'il était beaucoup plus sujet à l'encrassement par les dépôts de boue. Par ailleurs, les branchements ne s'y réalisaient qu'avec l'usage de plaque tournante (les premiers aiguillages, notamment ceux de William Jessop sur le Surrey Iron Railway, verront le jour au tout début du ). L'usage du rail plat a donc été abandonnéManuel du constructeur de chemins de fer , Édouard Biot 1934. vignette|Un exemple de rail "à ventre de poisson"
L'ingénieur Thomas Barnes conçut à la fin du un rail dit « à ventre de poisson », toujours en fonte de fer. Posé sur des traverses ou plots (dits « chaises ») en pierre, ce rail de courte section présentait une table de roulement plane mais une hauteur variable, plus fine au niveau des traverses et plus haute entre celles-ci, afin d'en renforcer la résistance (qui était une importante source de préoccupation avec la fonte d'acier, à fortiori lorsqu'il s'agira de supporter le poids d'une locomotive à vapeur).
Ce n'est qu'en 1820 que John Birkinshaw remplace la fonte par du fer forgé dans le cadre de la construction du chemin de fer de Stockton et Darlington par George Stephenson. Ce rail utilise toujours un profil en « ventre de poisson ») Specification of John Birkinshaw's Patent, for an Improvement in the Construction of Malleable Iron Rails, to be used in Rail roads, par Michael Longridge, Newcastle: E. Walker, 1821. - Spécifications sur le brevet de J. Birkinshaw..
En 1856, Mushet pose un rail en acier qui, après six ans, apparaît comme neuf là où des rails en fer ne dépassaient pas 3 mois. Quelques années après, Bessemer démontre que la durée de vie d'un rail en acier atteint 20 fois celle d'un rail en fer. De fait, la supériorité de l'acier sur le fer est facilement démontrée : en jouant à la fois sur la teneur en carbone et sur les traitements thermiques, le métallurgiste peut obtenir un matériau plus dur, plus résistant tout en restant suffisamment ductile.
+ Importance de la production de rails en Francetonnes de railstonnes de fertonnes d'acier18421850
Étymologie Le mot français rail est emprunté (1817) à l'anglais rail, lui-même issu de l'ancien français reille (nom féminin) « barre de porte, barre, barrière », du latin regula « règle, barre ».
Types Le rail moderne est généralement du type « Vignole » ; dans une section transversale, on distingue le patin qui s’appuie sur la traverse, le champignon qui constitue le chemin de roulement, et l’âme, filet vertical qui relie le champignon au patin. Sur les lignes importantes, la masse linéique standard du rail est de .
Des rails à gorge (type « Broca ») sont utilisés pour les voies encastrées dans des chaussées routières, notamment pour les installations industrielles et les lignes de tramway.
Le rail à « double champignon symétrique » avait été conçu pour permettre de retourner le rail usé et donc doubler sa durée de vie. Le défaut de ce système était que lorsque le rail était retourné, il était déjà abimé (poinçonnements dû à l'écrasement au niveau des berceaux). Ce principe a été abandonné. Des rails type « double champignon asymétrique » ont également été employés : un seul côté, de plus forte section, était utilisé pour le roulement. La simplification apportée par la fixation du rail type Vignole a amené à l'abandon de ce système.
Pose Europe La pose des rails se faisait autrefois normalement avec des joints de dilatation, les rails de de long coulissant librement dans les éclisses (pièces qui assurent la jonction de deux rails successifs). Dans ce cas la continuité électrique doit être assurée. S'est développée depuis la technique dite des « barres longues » ou LRS (longs rails soudés), dans laquelle les coupons de rail de (selon les pays) sont soudés principalement par soudure électrique en atelier en barres de . Ces barres sont ensuite posées sur de très grandes longueurs, sans limite réelle, les soudures entre LRS étant réalisées à la pose, par soudure aluminothermique ou soudure électrique en voie. La dilatation est contrainte par le frottement des traverses sur le ballast. Cela suppose réunies certaines conditions de stabilité de la plate-forme et de rayon de courbure minimum. À l’extrémité des LRS sont installés des appareils de dilatation, ainsi qu'au droit de certains ouvrages d’art. Il convient de noter que les progrès réalisés par la soudure électrique en voie permettent maintenant de poser directement en voie des rails de grande longueur () sans passer par les ateliers de soudure.
Le ballast est constitué de roches dures concassées (généralement, il s’agit de roches éruptives : porphyre, granite, rhyolite, quartzite...) qui doivent résister à l’attrition, qui émousse les angles. L’épaisseur du ballast est fonction de la charge et de l’intensité du trafic, sur ligne classique, sur LGV.
Une voie ferrée traditionnelle est fixée sur des traverses en bois reposant sur un ballast fait de cailloux concassés à arêtes vives. La fixation se fait grâce à des tire-fonds ou des attaches élastiques.
Les traverses assurent la transmission de la charge au ballast, et le maintien de l’écartement et de l’inclinaison des rails. Le travelage, c’est-à-dire le nombre de traverses au kilomètre est variable, généralement de à la SNCF. Les traverses peuvent être : en bois (généralement du chêne, mais on utilise aussi des bois exotiques durs, tels l'azobé, de durée de vie réduite () mais faciles à mettre en œuvre) ; en acier (plus bruyantes, ne sont plus utilisées en France en pose neuve) ; en béton, de durée de vie importante (), il en existe de deux types : bibloc, reliées par une barre métallique, monobloc en béton précontraint. En terminologie ferroviaire, la pièce de béton sur laquelle repose directement le rail s'appelle un blochet.
Durant leur phase de préparation, les traverses en bois sont imbibées de créosote lors d'un passage en étuve. La créosote est un assemblage d'hydrocarbures utilisé dans la protection du bois.
La voie ferrée peut aussi être posée sans ballast, directement sur un lit de béton. C’est le cas du Tunnel sous la Manche, du tunnel de Marseille sur la LGV Méditerranée, ainsi qu’en Allemagne de la ligne ICE entre Francfort et Cologne. Ce procédé réduit l’entretien mais coûte plus cher à installer et ne permet pas de corriger facilement les défauts de géométrie. Il a également le défaut de rendre le sol imperméable, perturbant l'écoulement de l'eau, quand le ballast laisse les précipitations s'infiltrer.
Les croisements et changements de voies se font en général par des appareils de voie qui comprennent des aiguillages, des traversées (croisement de deux voies sans aiguilles mobiles) et des traversées jonctions simples ou doubles, autorisant le croisement de deux voies et l’aiguillage vers une ou deux directions. À l’époque de la vapeur il y eut des ponts tournants, valables surtout pour des véhicules de faible empattement.
Outre ses fonctions de roulement et de guidage, le rail a souvent une fonction de sécurité : il sert de circuit aux courants de signalisation, ce qui permet de mettre au rouge automatiquement un signal lorsqu’un véhicule court-circuite les deux rails. De plus, pour une locomotive électrique, le rail constitue le circuit de retour du courant électrique de traction vers la sous-station d'alimentation.
Amérique du Nord
En Amérique du Nord, les crampons sont préférés aux tire-fonds, mais on peut trouver des attaches élastiques dans les endroits fortement sollicités, comme dans les aiguillages et les courbes prononcées.
Ci-dessus, on a un exemple des deux types de fixations dans un aiguillage ; le rail du haut est la voie déviée et est donc soumis à un effort supplémentaire, d’où les fixations élastiques (« Pandrol » dans le cas présent).
Les anticheminants sont utilisés lorsque la voie est posée en barres courtes (pas en LRS) avec des fixations autres qu’attaches élastiques (crampons, tirefonds). Ils servent à empêcher le déplacement longitudinal des rails dû à la circulation des trains (le rail se déplace dans le sens de la circulation) ou résultant de la gravité (poids du rail) dans les fortes déclivités. Ils sont aussi posés dans des zones à forte variation de température.
Caractéristiques left|thumb|Coupe transversale d'un rail américain des années 1890, cotée en unités de mesure anglo-saxonnes. Rail de 100 livres au yard (49,6 kg/m). Jusque dans les années 1870, le rail ferroviaire est en fer. Il est ensuite remplacé par l'acier, avec un taux de carbone moyen, de l'ordre de 0,6 % à 0,8 %, mais un taux de manganèse et de silicium importants, de 0,7 % à 1,2 % et de 0,1 % à 0,6 % respectivement, qui le rendent dur et lui permettent de supporter des contraintes élevées. Les rails étant des produits métalliques massifs, ils doivent être exempts d'hydrogène. En effet, la petite taille de l'atome d'hydrogène lui permet de circuler dans le produit fini, jusqu'à créer localement des bulles susceptibles de provoquer une rupture spontanée du rail.
Les rails sont laminés à chaud (température de l'ordre de ) et subissent un corroyage (réduction de section depuis le bloom jusqu'au rail fini) d'au moins 7. Ce corroyage peut cependant être insuffisant pour certaines applications : la solidification des blooms doit alors être bien maîtrisée.
Pour ces aciers au carbone on n'utilise pas la terminologie habituelle de la sidérurgie ; on parlait de nuances 700, 800 ou 900A (MPa) jusqu'en 2002, de nuances comme R260 (dureté HBW sur la table de roulement) selon la norme européenne EN13674 de nos jours.
Les rails manufacturés ont des profils symétriques. À la pose, ils sont légèrement inclinés vers l’intérieur de la voie d’environ :
1/20 en France, Belgique, Italie, Espagne 1/30 au Danemark, en Suède 1/40 en Allemagne, en Suisse et en Europe centrale
On parle ainsi de « pose au », « au », etc.