Technologie/Matériaux/Généralités/Caractéristiques physiques des aciers

Matériaux

plan du chapitre en cours Matériaux Généralités Matériaux métalliques Alliages ferreux Aciers Aciers en général Désignation normalisée des aciers Aciers de construction Aciers inoxydables Caractéristiques physiques des aciers Fontes Désignation normalisée des fontes Nuances usuelles des fontes Caractéristiques physiques des fontes Métaux et alliages non-ferreux Aluminium et alliages Cuivre et alliages Magnésium et alliages Titane et alliages Zinc et alliages Traitement des métaux Traitements thermomécaniques, état de livraison Traitements de surface Matériaux non métalliques Céramiques Divers Matériaux biocompatibles Niveau A - débutant B - lecteur averti C - compléments Avancement Projet Ébauche des chapitres En cours Avancé Terminé Quoi de neuf Docteur ? ajouter une rubrique [1] les 5 dernières mises à jour notables Calcul des assemblages par filetage Courroies de transmission Le Rein, site d’implantation en Biocompatibilité - début de réorganisation du livre de technologie mises à jour précédentes Les plus récentes sont en tête de liste ! test test test test test

navigation rapide dans le livre de technologie ■  préface - SOMMAIRE COMPLET SOMMAIRE COMPLET ■  Aspects généraux Éléments théoriques et pratiques Matériaux Énergie Fonctions mécaniques ■  Éléments de machines Transmissions mécaniques Technologie Modèles

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

Caractéristiques générales

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 :

• fer : M_Fe = 55,845 g/mol ;
• carbone : M_C = 12,010 7 g/mol ;
• nickel : M_Ni = 58,6934 g/mol ;
• chrome : M_Cr = 51,9961 g/mol ;
• molybdène : M_Mo = 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)

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	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

Diagramme binaire fer-carbone

Coefficients de dilatation linéiques pour quelques aciers.

Caractéristiques thermodynamiques des aciers à 20 °C

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	1 440	15		500	19

• T_f : température de fusion ;
• λ : conductivité thermique ;
• L_f : chaleur latente de fusion ;
• c_p : 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

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	104	9,62	6,5	10 000	200	774
Acier	115 à 573	1,74 à 8,72
Acier inoxydable
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	760	1,32		1,02 (recuit : 1,005)

• ρ_e : 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 ;
• μ_r : perméabilité magnétique relative ;
• χ_m : susceptibilité magnétique ;
• T_C : température de Curie ;
• a : ferritiques (les autres inox cités sont austénitiques)

Caractéristiques mécaniques

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 R_e, la limite à la rupture R_m 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
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
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)

Aciers d'usage général

Caractéristiques mécaniques des aciers de construction

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

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

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

Caractéristiques mécaniques des aciers non-alliés pour traitement thermique

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

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

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)	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

Caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables, 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)	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.