Avant de connaitre le rail en acier tel qu’il est utilisé aujourd’hui, il a fallu attendre les progrès dans la production de l’acier, en particulier les inventions de Martin, de Bessemer et de Thomas, pour qu’il connaisse enfin un usage universel dans le chemin de fer.
Les premiers rails
C’est au début du 17eme siècle que l’on peut situer la naissance des premiers rails. Ils sont en bois, et sont utilisés dans des mines de la région de Newcastle, en Grande-Bretagne.
Toujours dans les mines, à Coalbrookdale, apparaissent les premiers rails en fonte, en 1750. Des wagonnets, aux roues cerclées de fer, roulent alors sur les ailes de rail en forme de cornière.
Au Creusot , dans l’enceinte des fonderies, on recouvre les barres de bois d’un chemin de “bois” de fonte de fer pour atténuer l’usure rapide des rails.
C’est en 1789 qu’un anglais (Jessop) invente le principe du rail moderne. On place les boudins de roues à l’intérieur par rapport à l’essieu de façon qu’il ne sorte pas des rails.
La forme des rails est très diverse. Deux subsistent de nos jours: le rail double champignon et le type Vignole, le plus utilisé.
Comme on ne savait pas produire l’acier en grande quantité, les rails sont en fer, mais de qualité médiocre.
La fabrication du fer
La fonte, à la sortie du haut-fourneau renferme 2 à 5 % de carbone, jusqu’à 2 % de silicium ainsi que des traces de souffre et de phosphore. Le puddlage consiste à éliminer le carbone et le silicium. Ces deux éléments sont plus oxydables que le fer. L’arrêt à temps de l’oxydation d’un bain de fonte liquide permet d’obtenir du fer
Cette méthode de fabrication, longue et au prix de revient élevé est utilisée pour la première fois à St Etienne.
Pour l’acier, seul le procédé de la cémentation est connu au début du 19eme siècle. Il ne peut cependant qu’être produit en petite quantité, trop peu pour fabriquer des rails.
Une nouvelle avancée
C’est en France, par Martin, et en Angleterre, par Bessemer, que les avancées deviennent importantes. D’environ 40 kg, les masses produites en une seule fois passent à 10 t, voire 20 ou 50 tonnes. Les qualités de l’acier et l’invention de Bessemer entrainent un bouleversement des méthodes de fabrication. Bessemer n’avait pas pensé au chemin de fer mais plutôt à une utilisation militaire: remplacer le bronze des canons par de l’acier.
Pour Bessemer, la transformation de la fonte en acier passe par un courant d’air traversant la métal en fusion pour bruler l’excédent de carbone.
C’est à St Seurin sur l’Isle en Dordogne que s’installe le premier convertisseur Bessemer, suite au souhait de Napoléon III de ne pas voir la France prendre de retard dans la production d’acier. La quantité de phosphore contenue dans les minerais de fer français fait que la qualité des aciers était médiocre.
La déphosphoration de la fonte (suggéré par Grüner) consiste à mélanger de la chaux à la fonte en fusion. Mais cette technique détruit l’intérieur réfractaire des convertisseurs. Grâce à Thomas, le revêtement intérieur en enduit de dolomie remplace les briques réfractaires. Nous sommes à la fin des années 1870.
En France, Martin, un fils de maitre de forge, invente (1864) un procédé d’élaboration de l’acier par refusion des déchets plus ou moins oxydés. L’acier fournit par la technique de ce dernier est trois fois plus cher que l’acier produit par les convertisseurs Bessemer-Thomas, mais il est de bien meilleur qualité. Le premier (Martin-Siemens) sert à des produits comme les canons, l’autre (Bessemer-Thomas) pour les rails.
L’essor de l’acier
Dans la deuxième moitié du 19eme siècle, la production d’acier augmentent fortement. 1863 tonnes sont fabriqués en 1856, 200 000 tonnes en 1877.
Un décret de 1872 autorise l’emploi de l’acier pour les rails. Bien qu’il ne soit pas destiné uniquement aux rails, il utilise une part importante de la production:
| Années | Production (en tonne) | Dont rails (en tonne) | % |
| 1870 | 94 400 | 43 000 | 45.5 |
| 1875 | 256 000 | 178 000 | 69.5 |
| 1878 | 313 000 | 231 000 | 73.8 |
| 1884 | 503 000 | 368 000 | 73.1 |
En 1878, les rails en acier équipent 10 800 km de lignes (40% du réseau). Puis en 1869, 40 000 tonnes de rails en acier sont posés, contre 135 000 tonnes en fer. Enfin en 1883, ce sont 340 000 tonnes de rails acier qui sont utilisés, contre 2 000 tonnes en fer. Au niveau international, la tendance est la même.
Vers la fin du 19eme siècle, la compagnie du Nord remplace ses rails en fer de 37 kg/m par du rail acier de 30 kg/m (barres de 8 m). L’ouest utilise du double champignon de 38.75 kg/m pour tous ses renouvellements de voies.
Quant à la forme du rail, à cette époque, l’utilisation du rail Vignole se maintient. L’Ouest, le Midi et le PO utilisent toujours du double champignon.
Jusqu’aux LRS …
Au cours du 20eme siècle, le rail Vignole devient le rail de référence sur les lignes françaises. Sa composition évolue au fil du temps. les coupons sont plus longs. Même s’il faut attendre après la deuxième guerre mondiale pour voir la pose de barres longues, l’idée de souder des rails bout à bout germe dans l’esprit d’un suisse (Orpiszewski) dès le début des années 1900.
