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

Walter
8 septembre 2022

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Qu'est-ce que l'acier 4140 ?

L'acier 4140 est une pièce en acier faiblement allié enrichie en chrome, molybdène et manganèse, connue pour sa qualité distinctive de haute ténacité, de haute résistance à la torsion et de bonne résistance à la fatigue. Cette structure composite offre une excellente ténacité, résistance et résistance à l’usure. Le processus de traitement thermique, de recuit et de revenu, renforce l’acier pour un usage spécifique. La robustesse et la durabilité de l'acier 4140 en font un bon choix pour la production de composants tels que des engrenages, des essieux et des boulons, où il est largement utilisé dans de nombreuses industries comme le pétrole et le gaz, l'agriculture, la défense et l'automobile pour sa capacité à rester en bon état 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 qui déterminent les propriétés mécaniques de l'acier 4140, avec environ 0,40% de carbone, 0,80-1,10% de chrome, 0,15-0,25% de molybdène et 0,75-1,0% de manganèse, est sa composition chimique. Le carbone donne une combinaison de résistance et de ductilité, le chrome ajoute une résistance, une dureté, une résistance à la traction et une résistance à la corrosion supplémentaires, le molybdène donne une résistance à la traction à haute température ainsi qu'une résistance à l'usure, et le manganèse améliore la trempabilité et confère une résistance à la fissuration. Grâce à une composition d'alliage si unique, l'acier 4140 acquiert une résistance élevée, une ténacité, une résistance à l'usure et la capacité de subir un traitement thermique et d'être utilisé dans des applications qui ne sont pas dommageables et dans lesquelles les performances sous contrainte sont cruciales, telles que les engrenages, essieux et 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 quelque peu volatil en fonction des changements provoqués par des facteurs tels que la demande du marché, les coûts des matières premières, les niveaux d'approvisionnement et l'économie globale. Cela dépend de la forme de l'acier (par exemple, barres, plaques et tôles), de sa taille et d'autres opérations telles que le traitement thermique, etc. Étant donné que les prix varient à tout moment, pour obtenir les prix les plus corrects et les plus récents, il est conseillé de contacter les fournisseurs d'acier ou d'étudier directement les rapports récents du marché. L'acier est principalement tarifé à la livre ou à la tonne métrique, et des réductions de coûts pourraient être possibles sur une base unitaire pour les achats en gros volume. De plus, le passage par les détaillants peut inclure des frais d'expédition, de manutention et autres.

Quelles sont les limites de l'acier 4140 ?

Acier 4140 malgré ses multiples avantages en termes de résistance, de ténacité et de polyvalence face aux limites telles que la soudabilité réduite nécessitant des procédures de soudage spéciales pour arrêter la fissuration, une résistance à la corrosion inférieure à celle des aciers inoxydables d'où la nécessité de revêtements de protection et les problèmes techniques d'usinage. comportement dû à sa dureté qui entraîne une augmentation des coûts de fabrication. De plus, ses éléments d'alliage ajoutent non seulement aux matériaux mais également aux dépenses de traitement, ce qui le rend plus cher que les aciers au carbone les plus simples. De plus, les sections plus épaisses sont plus difficiles à traiter pour des propriétés homogènes et peuvent donc se fissurer si elles ne sont pas correctement trempées. De plus, certaines tailles spécifiques d'acier 4140 ne sont pas facilement disponibles, ce qui rend les options personnalisées longues et coûteuses, entraînant des retards et des dépenses supplémentaires. Peser ces facteurs par rapport aux avantages est une décision importante qui est prise pour chaque application donnée.

Méthodes de traitement courantes utilisées pour l'acier 4140

Les propriétés de l'acier 4140 seront améliorées par différentes méthodes de traitement pour répondre à diverses applications. En forgeant l'acier, la structure est renforcée et rendue plus résistante, tandis que le recuit est effectué pour réduire la dureté et éliminer les contraintes internes, ce qui rend l'acier plus facile à travailler (plus réalisable). La normalisation ajoute du raffinement à la structure du grain, améliorant ainsi la ténacité et l'uniformité. Le durcissement, qui est le processus de chauffage et de trempe suivi d'un revenu, augmente la durabilité et la résistance à l'usure mais diminue la ténacité pour éviter la fragilité. Au lieu de cela, le processus de carburation durcit la surface des pièces, où le noyau doit être résistant et les pièces extérieures doivent être dures. Bien qu'assez résistant, le 4140 peut être usiné en utilisant des outils et des conditions appropriés. Le processus rend collectivement l'acier 4140 personnalisable, répondant ainsi aux performances attendues d'applications spécifiques, telles que la résistance mécanique, la ténacité et la résistance à l'usure requises.