Comprendre l'acier 4140 : Des propriétés métallurgiques aux applications

L'acier 4140 est un acier faiblement allié doté d'une grande résistance mécanique, d'une grande ténacité et d'une grande résistance à l'usure. Il appartient à la série des aciers alliés de l'AISI (American Iron and Steel Institute) et est très polyvalent. Il a un large éventail d'utilisations dans diverses industries. Voici quelques-unes des principales propriétés de l'acier 4140, ses applications et les considérations à prendre en compte.

Qu'est-ce que l'acier 4140 ?

Le 4140 est un acier faiblement allié dont les principaux éléments d'alliage sont le carbone, le chrome et le molybdène. Cette composition chimique confère à l'acier 4140 des propriétés mécaniques élevées et une certaine résistance à la corrosion. La dureté et la ténacité de l'acier 4140 peuvent être modifiées par divers traitements thermiques, tels que la trempe et le revenu. Il présente de bonnes performances pour son prix et trouve donc un champ d'application très large parmi tous les aciers utilisés dans l'industrie.

Composition chimique

La composition chimique de l'acier AISI 4140 est la suivante.

Fe	C	Cr	Mn	Si	Mo	P	S
Équilibre	0.38 – 0.43%	0.8 – 1.1%	0.5 – 1%	0.15 – 0.3%	0.15 – 0.25%	0.035%	0.04%

Ces éléments se combinent pour obtenir d'excellentes performances mécaniques globales de l'acier. Par exemple, le carbone contribue à la dureté et à la résistance ; le chrome améliore la résistance à la corrosion ainsi que les propriétés d'usure. Le manganèse améliore la trempabilité, tandis que le silicium contribue à la désoxydation, renforçant ainsi la structure de l'acier.

Équivalents en acier 4140

La composition chimique de l'acier allié 4140 porte des noms différents dans d'autres parties du monde en fonction des normes régionales.

ÉTATS-UNIS (ASTM)	Chine (GB/T)	ROYAUME-UNI (BS)	Allemagne (DIN)	Japon (JIS)	France (NF)
4140	42CrMo	708M40	42CrMo4	SCM440	40CD4

Traitement thermique de l'acier 4140

Le traitement thermique est l'un des processus importants qui améliorent les propriétés mécaniques de l'acier 4140, un acier faiblement allié doté d'une résistance et d'une ténacité élevées. Il peut donc être utilisé dans différents domaines industriels. Les procédés de traitement thermique de base comprennent généralement le recuit, la normalisation, le revenu et la trempe, chacun ayant une grande influence sur la microstructure et les performances globales de l'acier.

Recuit

Le recuit est l'adoucissement de l'acier, ce qui facilite l'usinage et les opérations connexes.

• Chauffez votre pièce dans le four à une température comprise entre 1450 et 1600°F.
• Maintenir pendant 1 heure (plus longtemps pour les épaisseurs supérieures à 1 pouce).
• Arrêtez le four et laissez le métal refroidir à l'intérieur.

Normalisation

Améliorer les propriétés mécaniques.

• Chauffez votre pièce dans le four à une température comprise entre 1600 et 1700°F.
• Tenir au moins 30 minutes, plus c'est mieux.
• Sortez le métal du four et laissez-le refroidir à l'air libre.

Trempe

Résistance et ténacité optimales.

• Chauffer votre four à 1550 -1600°F
• Tenir pendant au moins 30 minutes par pouce d'épaisseur.
• Retirer du four et tremper immédiatement la pièce dans de l'huile minérale.
• Lorsque la pièce est refroidie à 150°F, commencez la trempe.

Trempe

Réduire la fragilité et le risque de fissuration. Des températures plus basses entraînent une augmentation de la résistance à la traction ; à des températures plus élevées, la résistance à la traction diminue. Il faut s'attendre à une résistance à la traction de 225 ksi (ainsi qu'à une dureté de 50 HRC) à 600°F, qui tombe à environ 130 ksi à 1000°F.

• Chauffez votre four à une température comprise entre 400 et 1200°F.
• Maintenir à température pendant 15 minutes par pouce d'épaisseur.
• Retirer du four et laisser refroidir à l'air.

Principales propriétés de l'acier 4140

Les propriétés mécaniques de l'acier 4140 sont les suivantes.

Limite d'élasticité （MPa）	415
Résistance à la traction（MPa）	655
Dureté (HB)	197
Elogation(%)	25.7
Usinabilité	65%

Avantages de l'acier 4140

Lorsque l'on envisage d'utiliser l'acier AISI 4140 dans des projets industriels, il est important de peser le pour et le contre afin de s'assurer qu'il répond aux besoins spécifiques d'un projet.

Avantages de l'acier 4140

Dureté et résistance élevées. L'alliage présente une combinaison bien équilibrée de dureté et de résistance, ce qui est particulièrement utile pour la fabrication de pièces forgées telles que les engrenages, les essieux et les arbres.

Bonne résistance à l'usure. La composition de l'acier 4140, avec des éléments d'alliage comme le chrome et le molybdène, améliore considérablement sa résistance à l'usure. Ces éléments contribuent de manière significative à accroître la capacité du matériau à résister à l'abrasion tout en maintenant des performances optimales dans des conditions de contraintes élevées.

Haute résistance. La dureté de l'acier 4140 adouci est généralement de 192 HB sur l'échelle de Brinell. Cependant, il peut atteindre un niveau de dureté plus élevé grâce à des méthodes de traitement thermique impliquant la trempe et le revenu.

Résistance exceptionnelle à la fatigue. Le 4140 présente un niveau élevé de résistance à la fatigue. La présence d'une résistance élevée à la traction, associée à une bonne répartition des contraintes, réduit l'apparition de fissures ; elle contribue donc à prolonger la durée de vie dans des conditions de charge cyclique.

Inconvénients de l'acier 4140

Mauvaise soudabilité. l'acier 4140 a une tendance élevée à la fissuration des soudures, de sorte qu'une attention particulière, telle que le préchauffage et le traitement post-chauffage, peut s'avérer nécessaire pour le soudage de cet acier.

Moyenne Usinabilité. Si l'acier 4140 possède une bonne malléabilité, ses performances en matière de coupe et d'usinage ne sont que moyennes. Il peut impliquer des vitesses de coupe élevées et peut-être une usure de l'outil.

Haute trempabilité. Cela signifie que les vitesses de refroidissement doivent être soigneusement contrôlées lors du traitement afin d'éviter les effets indésirables du traitement thermique tels que la distorsion ou la fissuration.

Acier 4140 vs. autres alliages

Acier 4140 vs. 1045

L'acier allié 4140 est souvent comparé à l'acier 1045, qui appartient au groupe des aciers à teneur moyenne en carbone. Si l'acier 1045 présente une bonne usinabilité et une bonne résistance à la traction, il est dépourvu des éléments d'alliage de chrome et de molybdène que l'on trouve dans l'acier 4140, ce qui se traduit par une faible trempabilité et une mauvaise résistance à l'usure. En revanche, grâce à sa composition, l'acier 4140 peut être plus performant dans les applications nécessitant une résistance et une ténacité accrues.

Acier 4140 vs. 4130

L'acier 4140 a une teneur en acier plus élevée que l'acier 4130. L'acier 4140 présente également une résistance et une trempabilité supérieures à celles de l'acier 4130. D'autre part, l'acier 4130 présente une meilleure soudabilité que l'acier 4140, mais sa résistance à l'usure est moindre.

Acier 4140 vs. 4150

La comparaison entre l'acier 4140 et l'acier 4150 montre des différences significatives dans la teneur en carbone. Alors que l'acier 4140 contient 0,38% à 0,43% de carbone, l'acier 4150 en contient davantage, de 0,48% à 0,53%, ce qui confère à l'acier 4150 une résistance et une dureté plus élevées. Il convient donc mieux lorsqu'une résistance élevée à l'usure est requise, notamment pour les canons d'armes à feu et les boulons à haute résistance. Sa teneur accrue en carbone réduit également sa ductilité et sa soudabilité ; c'est pourquoi un traitement thermique particulier doit être appliqué aux alliages 4150. Dans la fabrication de machines lourdes et dans l'industrie pétrolière et gazière, l'acier 4150 est parfois choisi pour les composants soumis à de fortes contraintes en raison de sa meilleure résistance à la fatigue et de sa plus grande solidité.

Applications

L'acier 4140 a été largement utilisé et accepté comme polyvalent et résistant. Il possède des propriétés uniques qui lui permettent de fonctionner efficacement dans des conditions difficiles où la résistance et la durabilité sont indispensables.

Industrie automobile

Dans l'industrie automobile, par exemple, l'acier 4140 est souvent utilisé pour fabriquer des composants clés tels que les essieux, les vilebrequins et les engrenages. Sa grande solidité et sa résistance à l'usure contribuent énormément aux performances et à la sécurité des véhicules, ce qui en fait le meilleur matériau pour les pièces soumises à de fortes contraintes pendant leur fonctionnement.

Fabrication aérospatiale

L'industrie aérospatiale tient l'acier 4140 en haute estime pour sa capacité à répondre aux exigences les plus strictes en matière de précision et de fiabilité. Il trouve une large application dans la fabrication de pièces d'avion, en particulier dans les trains d'atterrissage et d'autres pièces soumises à de fortes contraintes. Sa résistance élevée à la traction et à la fatigue en fait un matériau parfaitement adapté à une utilisation où la défaillance n'est pas acceptable.

Applications marines

En raison de sa résistance à la corrosion, l'acier 4140 est également utilisé dans les applications en mer. C'est un matériau utilisé dans la fabrication d'arbres d'hélices et d'autres pièces exposées à l'eau de mer, ce qui garantit la longévité et la fiabilité des applications maritimes.

Facteurs à prendre en compte lors de la transformation de l'acier 4140

Questions relatives à l'usinabilité

Bien que l'acier 4140 offre une bonne usinabilité lorsque les outils et les techniques appropriés sont utilisés, les matériaux plus durs ont généralement une moins bonne usinabilité. Il convient de trouver le bon équilibre entre la dureté et l'usinabilité, car de mauvaises pratiques d'usinage ne peuvent qu'entraîner l'usure de l'outil et la perte des tolérances. C'est pourquoi les professionnels du secteur doivent avoir une connaissance approfondie du comportement du matériau dans les différents processus d'usinage afin d'obtenir des résultats satisfaisants.

Pratiques de soudage

Outre sa teneur élevée en carbone et en alliages, le SOUDAGE de l'acier 4140 pose de nombreux problèmes, car il est beaucoup plus susceptible de se fissurer que l'acier doux. La préparation et la technique sont très importantes pour obtenir des soudures solides et fiables. Un aspect important du processus de soudage est le préchauffage de l'acier afin d'éviter les fissures à froid et de maintenir les températures d'interpassage au-dessus de 260°C (500°F) ; dans le cas contraire, le risque de défaillance est considérablement accru.

Les soudeurs doivent choisir des consommables de soudage compatibles pour garantir les meilleurs résultats lors de l'assemblage de l'acier 4140. Les procédés de soudage modernes, tels que le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) et le soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW), sont utilisés pour améliorer la précision et la flexibilité des applications de soudage. Cependant, ces procédés nécessitent un opérateur expérimenté pour contrôler les complications possibles, telles que la distorsion et les zones dures, qui peuvent survenir au cours du processus de soudage.

Traitement thermique

Le traitement thermique est une étape importante dans l'amélioration des propriétés mécaniques de l'acier 4140, telles que la ténacité et la résistance à la fatigue. Des procédures de traitement thermique appropriées, telles que la trempe et le revenu, sont nécessaires pour améliorer la dureté et les performances globales du matériau. Toutefois, ces processus doivent être effectués avec soin pour éviter d'introduire des contraintes résiduelles susceptibles d'entraîner des fissures. Par exemple, la réduction des contraintes par un chauffage contrôlé à environ 621°C (1 150°F) doit être effectuée pour diminuer le risque de défaillance pendant et après le soudage.

Résistance à la fatigue et à l'usure

La résistance à la fatigue et à l'usure sont les autres aspects à prendre en compte pour l'acier 4140. Bien que l'alliage possède des capacités considérables en termes de résistance à la fatigue, il succombe toujours à la fissuration dans des conditions de charge cyclique. Cela nécessite des considérations de conception critiques dans les applications où l'acier est soumis à des contraintes répétées. De même, la résistance à l'usure est essentielle lorsque les composants sont exposés à l'abrasion ou au frottement. La dureté obtenue grâce à un traitement thermique approprié améliore considérablement cette propriété, devenant ainsi indispensable dans les industries qui dépendent de matériaux de haute performance.