# 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 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 |
* Aciers en général
** Désignation normalisée des aciers
* Aciers de construction
* Aciers inoxydables
* 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/m$^3$ ;
* fer γ (austénite) : 8 679 kg/m$^3$.
Masses volumiques (valeurs moyennes à température ambiante) :
| Matériau | ρ (kg/m$^3$) | 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

Caractéristiques thermodynamiques des aciers à 20 °C :
| Matériau | T$_f$ (°C) | λ (W/m/K) | L$_f$ (kJ/kg) | c$_p$ (J/kg/K) | α (10$^{-6}$K$^{-1}$) |
| 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 | ρ$_e$ (10$^{-9}$Ωm) | σ (10$^6$S/m) | α (10$^{-3}$K$^{-1}$) | μ$_r$ | χ$_m$ | T$_C$ (°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) = ρ$_0$(1 + αθ), θ étant la température en °C et ρ$_0$ 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) | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de | R$_e$ (MPa) à une température (°C) de |
| Nuance (EN 10027) | 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 | Nuance | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) |
| 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 | Nuance | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) |
| 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 | Nuance | R$_e$ (R$_{p0,2%}$) (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | R$_e$ (R$_{p0,2%}$) (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% |
| 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 | Nuance | Nuance | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | SAE/AISI | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| 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 | Nuance | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| 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 (R$_m$ = 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 | Nuance | Nuance | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| EN 10027 | NF A 35-573/4 | AISI | R$_e$ (MPa) | R$_m$ (MPa) | A% | Dureté |
| Martensitiques |||||||
| X20Cr13 (1.4021) | Z20C13 | 420 | 340 | 550/1 500$^a$ | 24 | HRC ≥ 45 |
| X30Cr13 (1.4028) | Z33C13 | | 340 | 600/1 700$^a$ | 24 | HRC ≥ 50 |
| X46Cr13 (1.4034) | Z44C14 | | 400 | 650/1 800$^a$ | 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.

## Notes

* ↑ 1 mol = 6,02⋅10$^{23}$ atomes, voir w:Mole (unité)
* 1 2 J.-L. Fanchon, Guide de mécanique — Sciences et technologies industrielles, Nathan, 2001 (ISBN 2-09-178965-8), p. 538
* 1 2 http://www.otua.org/Prop_Physiques/ProEurope.asp
* 1 2 3 documentation fournisseur Ugine (Aciers de Châtillon et Gueugnon) pour l'Uginox 18-11 ML et 18-13 MS
* 1 2 P. Dal Zotto, J.-M. Larre, A. Merlet, L. Picau, Mémotech génie énergétique, Casteilla, 1996 (ISBN 2-7135-1644-7), p. 13
* ↑ w:Résistivité, w:Perméabilité magnétique, w:Susceptibilité magnétique
* 1 2 Y. Déplanche, Mémo formulaire, Casteilla, 1991, p. 245-246
* 1 2 norme EN 10028-2:1992
* ↑ norme EN 10028-7:2000
* 1 2 3 4 C. Hazard, F. Lelong, B. Quizain, Mémotech structures métalliques, Casteilla, 1997 (ISBN 2-7135-1751-6), p. 20-21
* 1 2 C. Barlier, L. Girardin, Mémotech productique — Matériaux et usinage, Casteilla, 1999 (ISBN 2-7135-2051-7), p. 63, 65
* ↑ Les valeurs de R$_e$ et de R$_m$ 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
* ↑ documentation fournisseur Nertalinox CN25.20 de SAF (Soudure autogène française, maintenant Air Liquide Welding)