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Technologie/Matériaux/Généralités/Caractéristiques physiques des aciers

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  1. Aciers en général
    1. Désignation normalisée des aciers
  2. Aciers de construction
  3. Aciers inoxydables
  4. Caractéristiques physiques des aciers

Caractéristiques générales

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Les aciers sont des composés de fer (Fe) et de carbone (C), le fer étant majoritaire. On peut y ajouter des éléments d'alliage, essentiellement pour favoriser la trempe (refroidissement rapide permettant d'obtenir un acier très dur) ou la résistance à la corrosion (aciers inoxydables). Les masses molaires atomiques des principaux composants sont[1] :

  • fer : MFe = 55,845 g/mol ;
  • carbone : MC = 12,010 7 g/mol ;
  • nickel : MNi = 58,6934 g/mol ;
  • chrome : MCr = 51,9961 g/mol ;
  • molybdène : MMo = 95,96 g/mol.

Les masses volumiques théoriques sont :

  • fer α (ferrite) : 7 874 kg/m3 ;
  • fer γ (austénite) : 8 679 kg/m3.
Masses volumiques (valeurs moyennes à température ambiante)[2][3]
Matériau ρ (kg/m3) d
Fer 7 870 7,87
Acier au carbone
général 7 850 7,85
C35E (1.1181) 7 850 7,85
Acier faiblement allié
général 7 800 7,8
21CrMoV5-7 (1.7709) 7 850 7,85
40CrMoV4-6 (1.7711) 7 850 7,85
Acier fortement allié
général 7 800 7,8
Acier inoxydable
général 7 900 7,9
X1CrNi25-21 (1.4335) 7 900 7,9
X1CrNiMoCuN20-18-7 (1.4547) 8 000 8
X1CrNiMoCuN25-25-5 (1.4537) 8 100 8,1
X1CrNiMoN25-22-2 (1.4466) 8 000 8
X1CrNiSi18-15-4 (1.4361) 7 700 7,7
X1NiCrMoCu25-20-5 (1.4539) 8 000 8
X1NiCrMoCu31-27-4 (1.4563) 8 000 8
X1NiCrMoCuN20-20-7 (1.4529) 8 100 8,1
X2CrAITi18-2 (1.4605)a 7 500 7,5
X2CrMnNiN17-7-5 (1.4371) 7 800 7,8
X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)/316L[4] 7 900 7,9
Acier rapide
général 7 800 7,8
  • ρ : masse volumique ;
  • d : densité par rapport à l'eau ;
  • a : ferritiques (les autres inox cités sont austénitiques)

Caractéristiques thermodynamiques

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Diagramme binaire fer-carbone
Coefficients de dilatation linéiques pour quelques aciers.
Caractéristiques thermodynamiques des aciers à 20 °C[5][2]
Matériau Tf (°C) λ (W/m/K) Lf (kJ/kg) cp (J/kg/K) α (10-6K-1)
Fer 1 535 51,8 207 460 11,70
Acier au carbone 100 450 12
Acier faiblement allié 35 450 12
Acier fortement allié 30 450 12
Acier inoxydable 30 450 17
Acier rapide 50 450 19
X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)/316L[4] 1 440 15 500 19
  • Tf : température de fusion ;
  • λ : conductivité thermique ;
  • Lf : chaleur latente de fusion ;
  • cp : chaleur massique, capacité calorifique à pression constante ;
  • α : coefficient de dilatation linéaire.

La température de fusion des aciers est très variable et dépend en particulier de la teneur en carbone, comme indiqué sur le diagramme ci-contre.

Le coefficient de dilatation linéaire dépend de la température, comme indiqué sur le second diagramme. Ce diagramme fait figurer, du bas vers le haut :

  • un acier inoxydable ferritique ;
  • un acier inoxydable martensitique ;
  • un acier au carbone ;
  • un acier austéno-ferritique (duplex) ;
  • un acier austénitique.

Caractéristiques électromagnétiques

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La résistivité électrique dépend beaucoup des impuretés, donc de la nuance de l'acier. Cela explique un écart d'un ordre de grandeur que l'on peut avoir entre le fer pur et certains aciers.

Notons que la ferrite est ferromagnétique, tandis que l'austénite — et donc la plupart des aciers inoxydables — est paramagnétique.

Caractéristiques électromagnétiques des aciers
Matériau ρe (10-9Ωm) σ (106S/m) α (10-3K-1) μr χm TC (°C)
Fer pur[5][6][7] 104 9,62 6,5 10 000 200 774
Acier[7] 115 à 573 1,74 à 8,72
Acier inoxydable[3]
X1CrNi25-21 (1.4335) 850 1,18
X1CrNiMoCuN20-18-7 (1.4547) 800 1,25
X1CrNiMoCuN25-25-5 (1.4537) 810 1,23
X1CrNiMoN25-22-2 (1.4466) 800 1,25
X1NiCrMoCu25-20-5 (1.4539) 1 000 1,00
X1NiCrMoCu31-27-4 (1.4563) 800 1,25
X1NiCrMoCuN20-20-7 (1.4529) 810 1,23
X2CrAITi18-2 (1.4605)a 1 000 1,00
X2CrMnNiN17-7-5 (1.4371) 700 1,43
X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)/316L[4] 760 1,32 1,02
(recuit : 1,005)
  • ρe : résistivité électrique à 20 °C ;
  • σ : conductivité électrique ;
  • α : coefficient de température : ρ(θ) = ρ0(1 + αθ), θ étant la température en °C et ρ0 la résistivité à 0 °C ;
  • μr : perméabilité magnétique relative ;
  • χm : susceptibilité magnétique ;
  • TC : température de Curie ;
  • a : ferritiques (les autres inox cités sont austénitiques)

Caractéristiques mécaniques

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De manière générale, tous les aciers ont les caractéristiques suivantes :

  • module de Young : E ≃ 200 GPa ;
  • module de Poisson : ν ≃ 0,3.

Ces propriétés sont très peu dépendantes de la composition chimique, mais dépendent de la structure cristalline :

fer α pur
  • module de Young : E = 207GPa  ;
  • module de Poisson : ν = 0,27 ;
aciers ferritiques, martensitiques, bainitiques
  • module de Young : E ≃ 210 GPa ;
  • module de Poisson : ν ≃ 0,3 ;
aciers austénitiques
  • module de Young : E ≃ 193 GPa ;
  • module de Poisson : ν ≃ 0,27.


La limite d'élasticité Re, la limite à la rupture Rm et l'allongement à la rupture A% dépendent, outre de la composition chimique, des traitements thermomécaniques et donc de l'état de livraison : moulé, écroui (laminé, tréfilé, forgé), recuit (normalisé), trempé, trempé et revenu.

Ces valeurs dépendent aussi de la température.

Limite conventionnelle d'élasticité à températures élevées pour des épaisseurs inférieures à 60 mm
Nuance (EN 10027) Re (MPa) à une température (°C) de
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Aciers pour appareils à pression[8]
P235GH (1.0345) 206 190 180 170 150 130 120 110
P265GH (1.0425) 234 215 205 195 175 155 140 130
P295GH (1.0481) 272 250 235 225 205 185 170 155
P355GH (1.0473) 318 290 270 255 235 215 200 180
16Mo3 (1.5415) 215 200 170 160 150 145 140
13CrMo4-5 (1.7335) 230 220 205 190 180 170 165
10CrMo9-10 (1.7380) 245 230 220 210 200 190 180
11CrMo9-10 (1.7383) 255 235 225 215 205 195
Aciers inoxydables austénitiques[9]
X10CrNi18-8 (1.4310) 250 210 200 190 185 180 180
X2CrNi18-7 (1.4318) 350 265 200 185 180 170 165

Aciers non-alliés (aciers au carbone)

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Aciers d'usage général

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Caractéristiques mécaniques des aciers de construction[10]
Nuance Re (MPa) Rm (MPa)
EN 10027 NF A 35-573/4
S185 (1.0035) A33 185 420
S235 (1.0037) E24 235 368
S275 (1.0044) E28 275 450
S355 (1.0037) E36 355 575
Caractéristiques mécaniques des aciers de construction mécanique[10]
Nuance Re (MPa) Rm (MPa)
EN 10027 NF A 35-573/4
E295 (1.0050) A50 295 500
E335 (1.0060) A60 335 600
E360 (1.0070) A70 360 730
Caractéristiques mécaniques des aciers pour appareils de pression, pour des épaisseurs inférieures à 16 mm[8]
Nuance Re (Rp 0,2%) (MPa) Rm (MPa) A%
EN 10027 NF A 35-573/4
P235GH (1.0345) A37FP 235 360 25
P265GH (1.0425) A42FP 265 410 23
P295GH (1.0481) A48AP 295 460 22

Aciers spéciaux pour traitement thermique

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Caractéristiques mécaniques des aciers non-alliés pour traitement thermique[10][11]
Nuance Re (MPa) Rm (MPa) A% Dureté
EN 10027 NF A 35-573/4 SAE/AISI
C10 (1.0301) XC10 1010 410
C22 (1.1151) XC18 1020 330 440 21 recuit : HB 103-250
C25 (1.1158) XC25 1025 365 490
C30 (1.1178) XC32 1030 430 570 18
C35 (1.1181) XC38 1035 490 630 17
C40 (1.1186) XC42 1040 520 670 16
C45 (1.1201) XC48 1045 550 710 15
C55 (1.1203) XC55 1055 585 750 14 HRC ≥ 54
  • HB désigne la dureté Brinell.
  • HRC désigne la dureté Rockwell échelle C.

Aciers spéciaux faiblement alliés pour traitement thermique

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Les valeurs sont données pour des barres de diamètres compris entre 16 et 40 mm.

Caractéristiques mécaniques des aciers faiblement alliés pour traitement thermique, après trempe et revenu à 600 °C[11]
Nuance Re (MPa) Rm (MPa) A% Dureté
EN 10027 NF A 35-573/4
20MnCr5 (1.7147) 20MC5 600 750 17 recuit : HB 152-250
18NiCr5-4 (1.5810) 20NC6 600 750 17
34Cr4 (1.7033) 34C4 590 780 14
25Cr5Mo4 (1.7218) 25CD4 600 780 14 recuit : HB 212-250
46Si7 (1.5024) 45S7 620 780 13
37Cr4 (1.7034) 38C4 620 830 13
34CrMo4 (1.7220) 34CD4 700 850 12 recuit : HB 217-250
41Cr4 (1.7035) 42C4 660 880 12
56Si7 (1.5026) 55S7 740 930 10
37CrMo4 (1.7202) 38CD4 760 930 11
41CrAlMo7 (1.8509) 40CAD6-12 750 950 12 pleine trempe : HRC 58
42CrMo4 (1.7225) 42CD4 770 980 11 recuit : HB 217-250
51CrV4 (1.8159) 50CV4 785 980 10
31CrMo12 (1.8515) 30CD12 810 1 030 10
30CrNiMo8 (1.6580) 30CND8 850 1 030 12 recuit : HB 248-250
60SiCr8 (1.7108) 60SC7 850 1 050 9
46SiCrMo6 (1.8062) 45SCD5 870 1 050 9 pleine trempe : HRC 60
36NiCrMo10 (1.6773) 35NCD16 880 1 080 10 recuit : HB 260 ; pleine trempe (Rm = 1 950 MPa) : HRC 52
100Cr6 (1.3505)[12] 100C6 (2 000) (2 200) recuit : HB 217 ; trempé : HRC ≥ 62
  • HB désigne la dureté Brinell.
  • HRC désigne la dureté Rockwell échelle C.

Aciers inoxydables

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Caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables[10], état recuit
Nuance Re (MPa) Rm (MPa) A% Dureté
EN 10027 NF A 35-573/4 AISI
Martensitiques
X20Cr13 (1.4021) Z20C13 420 340 550/1 500a 24 HRC ≥ 45
X30Cr13 (1.4028) Z33C13 340 600/1 700a 24 HRC ≥ 50
X46Cr13 (1.4034) Z44C14 400 650/1 800a 23 HRC ≥ 52
Ferritiques
X2CrTi12 (1.4512) Z3CT12 250 410 32
X6CrNiTi12 (1.4516) Z8CNT12 370 510 27
X6Cr17 (1.4016) Z8C17 430 340 500 26
X3CrTi17 (1.4510) Z4CT17 300 450 30
X6CrNi17-1 (1.4017) Z8CN17 360 700 20
X2CrMoTi18-2 (1.4521) Z3CDT18-2 380 540 27
Austénitiques
X10CrNi18-8 (1.4310) Z11CN18-8 320 740 50
X2CrNiN18-7 (1.4313) Z3CN18-7Az 360 780 48
X5CrNi18-10 (1.4301) Z7CN18-9 304 300 630 52
X2CrNi18-9 (1.4307) Z3CN18-10 304L 310 620 50
X2CrNi19-11 (1.4306) Z3CN18-10 300 600 50
X12CrNi25-20 (non normalisé)[13] Z10CN25-20 ≃ 310 410 580 30
X8CrNiTi18-10 (1.4541) Z6CN18-10 321 280 610 48
X5CrNiMo17-12-2 (1.4401) Z7CND17-11-2 316 340 620 48
X2CrNiMo17-12-2 (1.4404) Z3CND17-11-2 316L 320 610 48
X2CrNiMo18-14-3 (1.4435) Z3CND17-12-3 310 610 45
X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) Z6CNDT17-12 310 610 47
X1NiCrMoCu25-20-5-12-2 (1.4539) Z2CDU25-20 340 650 40
Réfractaires
X18CrNi23-13 (1.4833) Z20CN24-13 330 630 45
X8CrNi25-21 (1.4845) Z8CN25-20 300 600 42
  • a - Après trempe à 1 050 °C et revenu à 200 °C.
  • HRC désigne la dureté Rockwell échelle C.

Notes

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  1. ↑ 1 mol = 6,02⋅1023 atomes, voir w:Mole (unité)
  2. ↑ 2,0 et 2,1 J.-L. Fanchon, Guide de mécanique — Sciences et technologies industrielles, Nathan, (ISBN 2-09-178965-8), p. 538
  3. ↑ 3,0 et 3,1 http://www.otua.org/Prop_Physiques/ProEurope.asp
  4. ↑ 4,0 4,1 et 4,2 documentation fournisseur Ugine (Aciers de Châtillon et Gueugnon) pour l'Uginox 18-11 ML et 18-13 MS
  5. ↑ 5,0 et 5,1 P. Dal Zotto, J.-M. Larre, A. Merlet, L. Picau, Mémotech génie énergétique, Casteilla, (ISBN 2-7135-1644-7), p. 13
  6. ↑ w:Résistivité, w:Perméabilité magnétique, w:Susceptibilité magnétique
  7. ↑ 7,0 et 7,1 Y. Déplanche, Mémo formulaire, Casteilla, , p. 245-246
  8. ↑ 8,0 et 8,1 norme EN 10028-2:1992
  9. ↑ norme EN 10028-7:2000
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 et 10,3 C. Hazard, F. Lelong, B. Quizain, Mémotech structures métalliques, Casteilla, (ISBN 2-7135-1751-6), p. 20-21
  11. ↑ 11,0 et 11,1 C. Barlier, L. Girardin, Mémotech productique — Matériaux et usinage, Casteilla, (ISBN 2-7135-2051-7), p. 63, 65
  12. ↑ Les valeurs de Re et de Rm du 100Cr6 ne sont pas indiquées dans les ouvrages de référence habituels ni par les fournisseurs, on trouve en général des valeurs de dureté, et dans des gammes qui dépassent le tableau d'équivalence de l'Euronorm 8-55 ou des normes NF A03-172/173 ; les valeurs indiquées ici ont été trouvées dans une source unique, K. Elleuch, Comportement en fretting d'alliages d'aluminium (thèse École centrale de Lyon, 2002) ; traitement thermique non indiqué
  13. ↑ documentation fournisseur Nertalinox CN25.20 de SAF (Soudure autogène française, maintenant Air Liquide Welding)
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