Une locomotive à vapeur est un type de locomotive, c'est un engin moteur pour les chemins de fer, mis en mouvement par une machine à vapeur. Ce type de moteur thermique est le plus couramment utilisé, de la naissance du chemin de fer jusque dans les années 1950. Il reste toujours employé très localement dans certains pays au XXIe siècle, notamment pour des trains touristiques ou dans l'industrie minière.
Désormais, la plupart des trains sont tractés par des locomotives électriques ou thermiques (Diesel), ou bien sont constitués par des rames automotrices, ou des autorails, parfois indivisibles, intégrant la motorisation répartie sous les véhicules et/ou à l'intérieur des caisses.
L'histoire des chemins de fer débute au début du XIXe siècle au Royaume-Uni, où la première locomotive à vapeur est construite par Richard Trevithick en 1804. La traction à vapeur est inaugurée le 12 août 1812 sur le Middleton Railways, dans le Yorkshire. Il s'agit de locomotives pour rails à crémaillère, remorquant des wagonnets de charbon. Les locomotives sont construites par Matthew Murray et John Blenkinsop. Le 27 septembre 1825 est inauguré le chemin de fer de Stockton et Darlington, première ligne ouverte au transport de passagers. La locomotive est celle conçue par George Stephenson. En 1827, l'ingénieur français Marc Seguin met au point la chaudière tubulaire, qui permet de quasiment décupler la puissance des machines.
Bien que la traction électrique soit à l'étude dès les années 1880 et utilisée dès les années 1900, c'est en fait la traction Diesel qui entraîne la disparition de la traction vapeur, là où l'électrification ne semble pas rentable ou pas souhaitable, stratégiquement. L'après-guerre marque le déclin de la traction à vapeur qui s'achève, dans la plupart des pays, à la fin des années 1970. Cela s'effectue par la livraison de nouvelles locomotives Diesel (la transition area en Amérique du Nord) ou le programme d'électrification des lignes (en Europe). Des locomotives à vapeur sont construites en Europe durant cette période, tentant d'utiliser de nouvelles technologies (turbine à combustion par exemple) ou de nouvelles configurations de machines (programmes d'André Chapelon en France). Elles restent sans descendance. La dernière locomotive à vapeur est construite en France en 1953.
Le 27 mai 1972, la SNCF arrête l’exploitation vapeur pour le service passager. Le 29 mars 1974, la 141 R 420 assure le dernier convoi de marchandises en France entre la gare de Béning et celle de Sarreguemines. Le 31 mars 1974, elle effectue un dernier voyage « de service » (convoyage du wagon de secours du dépôt de Sarreguemines jusqu’à Forbach via Béning). Le 24 septembre 1975, la 140 C 38 du dépôt de Gray tracte l’ultime train commercial marchandises en traction vapeur de la Société générale de chemins de fer et de transports automobiles (CFTA) : convoi de wagons plats transportant des rouleaux de fil de fer de Troyes à Sainte-Colombe (Seine-et-Marne). Le 20 novembre 1975, cette même machine (140 C 38) assure l’acheminement de la 140 C 287 (froide) depuis Gray jusqu’à Chalindrey pour restitution à la SNCF. C'est officiellement la toute dernière fois en France qu'une locomotive à vapeur a roulé pour la SNCF.
Certains pays particulièrement bien dotés en ressources naturelles (charbon ou tourbe) continuent à utiliser principalement la traction à vapeur jusqu'au début du XXIe siècle, dont la République démocratique allemande, l'Afrique du Sud, la Chine et l'Inde. Les locomotives à vapeur conservent également un certain succès pour les lignes de haute montagne où la traction à vapeur est favorisée par la pression atmosphérique plus faible (due à l'altitude) qui abaisse le point d'ébullition de l'eau. Cela permet des économies de combustible et de meilleures performances.
La locomotive se compose de trois parties principales ou ensembles :
le véhicule roulant, qui se compose d'un châssis, des organes de suspension et des roues ;
le foyer, qui chauffe la chaudière au-dessus, laquelle produit la vapeur nécessaire ;
le mécanisme de transmission ou moteur à vapeur, c'est-à-dire l'ensemble des organes qui transforment le travail de la vapeur sous pression dans les pistons en force motrice sur les essieux.
Les réserves en eau et combustible nécessaires à la production de vapeur peuvent être placées sur la machine sur les petites lignes ferroviaires, mais elles sont souvent chargées dans un tender attelé à la locomotive. Le combustible est souvent du charbon, mais il peut être également du fioul, du bois voire d'autres combustibles.
La locomotive prend appui sur des rails et les ingénieurs pensèrent longtemps que seul le poids (adhesive weight) était source de l'adhérence permettant la progression du véhicule. Les essieux moteurs sont spécialement chargés et sont accouplés, à l'aide de bielles, sur les roues voisines d'un même diamètre pour en faire autant de roues motrices. Le nombre de tours par seconde des roues motrices impose au mécanisme de distribution une vitesse de va-et-vient qui n'est limitée que par le diamètre de ces roues. Il atteint couramment 2 mètres, ou plus, pour les machines rapides, et c'est une des raisons qui font que les roues sont à l'extérieur du châssis. Compte tenu de la longueur nécessaire pour le corps cylindrique de la chaudière, on place très souvent des roues porteuses à l'avant et/ou à l'arrière, sous forme de bissel ou de bogie.
Le châssis lui-même est, en général, composé de deux longerons en tôle découpée de forte épaisseur et assemblés par des traverses et entretoises, constituées de caissons en tôle ou moulées, et dont la rigidité assure la bonne tenue de voie de la machine. Les cylindres moteurs sont fixés aux entretoises, en général en extérieur et, parfois, selon le type de locomotive, entre les longerons. La chaudière repose sur des supports répartis tout le long du châssis, tout en étant fixée essentiellement à l'avant, du côté de la boîte à fumée, pour pouvoir se dilater librement à l'arrière, du côté du foyer.
L'emplacement où se trouve l'équipe de conduite était, sur les premières locomotives européennes jusque dans les années 1860, une simple plate-forme sans protection. Une protection frontale a ensuite été ajoutée, puis, à la fin du XIXe siècle, une cabine présente plus précocement, dès les années 1840, en Amérique du Nord. Les équipements de conduite sont installés sur le tableau de la devanture, constituée par un double de la face arrière du foyer.
La chaudière se compose de la partie postérieure, du corps cylindrique et de la boîte à fumée. La partie postérieure de la chaudière se compose du foyer et de la boîte à feu, reliés par des entretoises. Le corps cylindrique renferme les tubes à fumée entourés par l'eau de la chaudière. Le combustible — charbon, bois ou pétrole — alimente le feu par la porte du foyer, où il brûle sur la grille (pour les combustibles solides). Une alimentation semi-automatique peut se faire par un stoker. Les cendres et mâchefer s'accumulent plus bas dans le cendrier. L'air, nécessaire à la combustion, entre par des clapets situés au niveau de la grille : les registres. La voûte du foyer force la circulation des gaz chauds dans l'ensemble du foyer et limite l'entrée des flammèches dans les tubes. Les gaz résultants de la combustion passent au travers des tubes à fumée, où ils transmettent leur chaleur à l'eau de la chaudière et arrivent à la boîte à fumée, dans laquelle un pare-escarbilles retient les cendres incandescentes, avant d'être expulsés par la cheminée à l'aide de l'échappement des cylindres. Le sommet du foyer (ciel du foyer), porté à haute température, est recouvert par une partie de la chaudière qui doit toujours être alimentée en eau à cet endroit, sinon des fusibles de sûreté fondent et le mélange vapeur/eau est précipité dans le foyer pour l'éteindre.
La vapeur, formée par l'eau de la chaudière, se concentre dans le dôme de vapeur, passe par le régulateur, actionné depuis la cabine de conduite au moyen d'un levier et d'un arbre de commande, et atteint, éventuellement, le surchauffeur, qui se compose de groupes de tubes fins, insérés dans les tubes à fumée. La vapeur atteint alors une température d'environ 350 °C et parvient ensuite comme force motrice aux cylindres (7) où, introduite par un tiroir, elle pousse alternativement les pistons en avant et en arrière.