Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведен сравнительный количественный анализ изменения фазового состава, дефектной субструктуры и перераспределения атомов углерода рельсов доэвтектоидной стали после длительной эксплуатации и деформации сжатием. Исследования рельсов проводились на разном расстоянии от поверхности катания в головке по разным направлениям, а сжатие осуществлялось до степеней 15, 30, 50 %. Показано, что длительная эксплуатация рельсов и деформация сжатием сопровождаются фрагментацией, причем, при выбранных режимах этот процесс идет интенсивнее при сжатии, чем при длительном нагружении. При анализе процесса фрагментации цементитных пластин привлечены представления об одновременном протекании механизмов разрушения движущимися дислокациями и растворения. Из зависимостей изменения объемных долей углерода в цементите и на дефектах кристаллической решетки от выбранных условий нагружения сделано заключение о преимущественной роли деформации сжатием по сравнению с процессом длительной эксплуатации. Выявлены физические причины немонотонного изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций от степени деформации при сжатии и расстояния от поверхности головки по центральной оси и радиусу скругления выкружки и более высокие значения скалярной плотности дислокаций по сравнению с избыточной плотностью.