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métallographiques

Nomenclature

La désignation « SAE 4340 » signifie un acier faiblement allié de série 43xx dont les trois éléments d’alliages principaux sont le chrome, le nickel et le molybdène. Les deux derniers chiffres, « 40 », indiquent la proportion nominale de carbone à être divisée par 100 : 0,4 % C.

Méthode d’élaboration

Le traitement thermique de type « recuit de normalisation » a été réalisé avec un four à résistances électriques, sans protection gazeuse, à partir d’un échantillon de 4340 recuit complet (fiche Ac-16). La rampe de montée est de 400 °C/h jusqu’à la température de maintien dans le domaine austénitique de 870 °C (pendant 1 heure). L’échantillon est par la suite sorti du four et refroidi à l’air calme jusqu’à 20 °C.

État métallurgique

Le recuit de normalisation est caractérisé par un refroidissement à l’air dès la sortie de l’échantillon du four à la suite du maintien à la température d’austénitisation. Comme l’acier SAE 4340 contient du chrome (0,87 %), du nickel (1,64 %) et du molybdène (0,26 %), sa trempabilité à l’air est totale pour des échantillons jusqu’à 1 pouce de section.

Remarques sur la composition chimique

Le silicium (0,32 %) est présent du fait du mode d’élaboration de l’acier. Le manganèse (0,77 %) provient du mode d’élaboration pour éviter la création de FeS (la phase de MnS, qui n’est pas nuisible, est favorisée). La teneur plus élevée en manganèse augmente la résistance mécanique par solution solide de substitution.

Le soufre et le phosphore sont maintenus à des niveaux inférieurs à 0,01 %, ce qui en fait un acier de haute qualité métallurgique sans risque de création de précipités indésirables (FeS, Fe₃P).

Le chrome (0,87 %), le nickel (1,64 %) et le molybdène (0,26 %) sont ajoutés pour augmenter la trempabilité de cet alliage. Ainsi, c’est avant tout pour exploiter des propriétés mécaniques augmentées par un cycle de trempe et revenu que cet alliage a été mis au point.

Les états « recuit » et « normalisé » sont des états métallurgiques préparatoires au véritable cycle de trempe suivi d’un revenu de la pièce utilisée en service. Cependant, pour un échantillon de faible section (< 1 pouce de diamètre), la trempe à cœur est possible simplement en laissant refroidir l’échantillon à l’air.

Remarques sur la microstructure

Après une attaque chimique au nital 2 %, la microstructure est à dominance martensitique avec présence de bainite inférieure. La martensite et la bainite se distinguent par leur couleur et leur forme : la martensite apparaît en brunâtre sur fond blanc et montre la présence d’aiguilles, alors que la bainite est brun foncé et se présente sous la forme de « plumes ». Quelques plages d’austénite non transformées sont visibles et apparaissent en blanc. À la suite du traitement thermique sans atmosphère contrôlée, une décarburation d’environ 125 µm est présente ainsi qu’une couche de calamine d’une épaisseur de 50 µm. Certains précipités de MnS sont aussi visibles (grisâtres).

Remarques sur les propriétés mécaniques

Sur un barreau de traction de 0,5 pouce de diamètre (au centre), les propriétés mécaniques développées à la suite d’un traitement de normalisation s’apparentent à une trempe martensitique « réussie entre 80 % et 90 % ». Cela explique pourquoi l’allongement à la rupture est faible (6 %) alors que la dureté sur l’échelle Rockwell C atteint une valeur élevée de 52 HRC.

Préparation métallographique

1. Meulage sur papier 320 grains (2 min.), 500 grains (2 min.);
2. Polissage avec particules diamantées : MD-Largo 6 µm (5 min.), MD-DAC 3 µm (5 min.), MD-NAP 1 µm (2 min.), MD-CHEM avec OP-U Non-Dry (1 min.) (finition optionnelle).

Fiches d’alliages associés

• Ac-11 Acier AISI 4340 Recuit complet et redressé
• Ac-16 Acier SAE 4340 Recuit complet

Applications possibles

L’état normalisé est l’état métallurgique préparatoire au cycle de trempe suivi du revenu. Les pièces en acier SAE 4340 sont surtout utilisées à l’état trempé suivi d’un revenu pour ajuster leur ténacité.

Applications typiques : arbres de transmission, essieux, bielles, arbres d’engrenage et autres pièces d’automobile, pièces forgées lourdes (rotors, arbres d’accouplement, boulons et goujons à haute résistance, engrenages), pièces usinées telles que des cylindres de train d’atterrissage en avionnerie, marteaux piqueurs hydrauliques.

Provenance/Fabrication

La barre de 1 pouce de diamètre provient de Timken Steel, Ohio, États-Unis.

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