Acier 4140 : composition, caractéristiques, méthodes de traitement et domaines d'application

Par: Walter
8 septembre 2022

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Qu'est-ce que l'acier 4140 ?

L'acier 4140 est un acier faiblement allié enrichi en chrome, molybdène et manganèse, reconnu pour sa haute ténacité, sa grande résistance à la torsion et sa bonne résistance à la fatigue. Sa structure composite lui confère d'excellentes propriétés de ténacité, de résistance et de résistance à l'usure. Le traitement thermique, comprenant recuit et revenu, renforce l'acier pour une application spécifique. La robustesse et la durabilité de l'acier 4140 en font un matériau de choix pour la fabrication de composants tels que les engrenages, les essieux et les boulons. Il est largement utilisé dans de nombreux secteurs industriels, notamment le pétrole et le gaz, l'agriculture, la défense et l'automobile, grâce à sa capacité à conserver ses qualités même dans des conditions difficiles.

Comment l’acier 4140 est-il nommé selon quelle règle ?

L'acier 4140 est désigné selon le système de classification des aciers AISI/SAE, où le premier chiffre (4) désigne un alliage de molybdène, le deuxième chiffre (1) indique des éléments d'alliage supplémentaires comme le chrome et le molybdène, et les deux derniers chiffres (40) spécifient la teneur en carbone de l'acier à environ 0,40%. Cette nomenclature fournit une référence rapide à la composition chimique et aux propriétés de l'acier, soulignant son utilisation de molybdène pour une résistance, une ténacité et une résistance à l'usure améliorées, et le rendant facile à identifier pour les applications nécessitant des matériaux robustes.

Composition chimique de l'acier 4140

L'acier 4140 est classé comme un acier à faible teneur en carbone et faiblement allié avec une bonne résistance aux chocs, une bonne résistance à l'usure, une bonne trempabilité, une bonne ténacité structurelle, une bonne résistance et une légère résistance à la corrosion. Bien qu'il soit peu soudable, il doit être chauffé à plus de 800 °C pour le forger. Le 4140 est polyvalent, en tant qu'acier à outils naturel, certainement utilisé pour les outils et les pièces de machines industrielles soumises à de lourdes charges, telles que les vilebrequins, les essieux arrière, les clips à ressort, les collecteurs, les engrenages, pilotage etc.

Composant	Wt.%
Carbone (C)	0,38 – 0,43
Fer (Fe)	96,785 – 97,77
Chrome (Cr)	0,75 – 1,00
Manganèse (Mn)	0,60 – 0,90
Molybdène (Mo)	0,15 – 0,25
Phosphore (P)	0,0 – 0,035
Silicium (Si)	0,15 – 0,30
Soufre (S)	0,0 – 0,04

L'influence de la composition chimique sur les propriétés de l'acier 4140

L'un des facteurs essentiels déterminant les propriétés mécaniques de l'acier 4140, composé d'environ 0,401 % de carbone, 0,80 à 1,10 % de chrome, 0,15 à 0,25 % de molybdène et 0,75 à 1,01 % de manganèse, est sa composition chimique. Le carbone confère à l'acier une combinaison de résistance et de ductilité, tandis que le chrome améliore sa résistance, sa dureté, sa résistance à la traction et sa résistance à la corrosion. Le molybdène assure une résistance à la traction à haute température ainsi qu'une bonne résistance à l'usure, et le manganèse améliore sa trempabilité et sa résistance à la fissuration. Grâce à cette composition d'alliage unique, l'acier 4140 présente une résistance, une ténacité et une résistance à l'usure élevées, et peut être traité thermiquement. Il est ainsi adapté aux applications non dommageables où la performance sous contrainte est cruciale, comme les engrenages, les essieux et les arbres.

Propriétés mécaniques de l'acier 4140

Propriétés mécaniques	Métrique	Anglais
Résistance à la traction ultime	1020 MPa	148000 psi
Résistance à la traction	655 MPa	95000 psi
Allongement à la rupture	17.7 %	17.7 %
Réduction de la superficie	46.8 %	46.8 %
Dureté, Brinell	302	302
Dureté, Knoop	328	328
Dureté, Rockwell B	99	99
Dureté, Rockwell C	32	32
Dureté, Vickers	319	319
Module d'élasticité	205 GPa	29700 ksi
Module de masse	160 GPa	23200 ksi
Module de cisaillement	80,0 GPa	11600 ksi
Coefficient de Poisson	0.29	0.29
Usinabilité	65 %	65 %

Propriétés physiques de l'acier 4140

Propriétés physiques	Évaluer
Densité	7,85 g/cc
Point de fusion	2 580-2 650 °F
Chaleur spécifique	1,13 x 10^-1 BTU/lb-°F
Conductivité thermique	296 BTU-in/hr-ft^2-°F

Matériaux équivalents Acier 4140

UE	Etats-Unis	Allemagne	France	Italie	Espagne	Inter
FR	–	DIN,WNr	AFNOR	Uni	UNE	ISO
42CrMoS4 (1.7227)	4140	42CrMoS4	42CD4u	42CrMo4	40CrMo41	42CrMoS4

Le prix de l’acier 4140

Le prix de l'acier 4140 est assez volatil et dépend de facteurs tels que la demande du marché, le coût des matières premières, les niveaux d'approvisionnement et la conjoncture économique générale. Il varie également selon la forme de l'acier (barres, plaques, tôles, etc.), ses dimensions et les traitements subis, notamment thermiques. Compte tenu de cette variabilité, pour obtenir les prix les plus précis et à jour, il est conseillé de contacter directement les fournisseurs d'acier ou de consulter les rapports de marché les plus récents. L'acier est généralement vendu au kilo ou à la tonne, et des réductions peuvent être appliquées à l'unité pour les achats en gros volumes. Par ailleurs, la distribution auprès des détaillants peut engendrer des frais de transport, de manutention et autres.

Quelles sont les limites de l'acier 4140 ?

L'acier 4140, malgré ses nombreux avantages en termes de résistance, de ténacité et de polyvalence, présente certaines limites. Parmi celles-ci, on peut citer sa soudabilité réduite, qui exige des procédures de soudage spéciales pour éviter la fissuration, sa résistance à la corrosion inférieure à celle des aciers inoxydables (d'où la nécessité de revêtements protecteurs), et les difficultés d'usinage liées à sa dureté, qui entraînent une hausse des coûts de fabrication. De plus, ses éléments d'alliage augmentent non seulement le coût du matériau, mais aussi celui de sa transformation, le rendant ainsi plus onéreux que les aciers au carbone les plus simples. Par ailleurs, les sections épaisses sont plus difficiles à traiter pour obtenir des propriétés homogènes et peuvent donc se fissurer si elles ne sont pas correctement revenues. Enfin, certaines dimensions spécifiques d'acier 4140 ne sont pas facilement disponibles, ce qui rend les solutions sur mesure longues et coûteuses, engendrant des retards et des dépenses supplémentaires. La mise en balance de ces facteurs et des avantages constitue une décision importante qui doit être prise pour chaque application.

Méthodes de traitement courantes utilisées pour l'acier 4140

Les propriétés de l'acier 4140 peuvent être améliorées par différents procédés de fabrication afin de répondre à diverses applications. Le forgeage renforce sa structure et accroît sa ténacité, tandis que le recuit permet de réduire sa dureté et d'éliminer les contraintes internes, facilitant ainsi son usinage. La normalisation affine le grain, améliorant ainsi la ténacité et l'homogénéité du matériau. La trempe, qui consiste en un chauffage suivi d'un revenu, augmente la durabilité et la résistance à l'usure, mais diminue la ténacité pour éviter la fragilité. La cémentation, quant à elle, durcit la surface des pièces lorsque le cœur doit être tenace et la surface dure. Bien que relativement tenace, l'acier 4140 peut être usiné avec les outils et les conditions appropriés. L'ensemble de ces procédés rend l'acier 4140 personnalisable, lui permettant ainsi de répondre aux performances attendues d'applications spécifiques, notamment en termes de résistance mécanique, de ténacité et de résistance à l'usure.