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métallographiques

Nomenclature

La désignation « 4140 » signifie un acier faiblement allié de série 41xx dont les deux éléments d’alliage principaux sont le chrome 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 complet » a été réalisé avec un four à résistances électriques, sans protection gazeuse, à partir d’un échantillon d’acier SAE 4140 fini à froid (fiche Ac-06). La rampe de montée est de 400 °C/h jusqu’à la température de maintien dans le domaine austénitique de 815 °C (pendant 1 heure). L’échantillon est par la suite refroidi au four à un taux de 10 °C/h jusqu’à l’atteinte de 650 °C. Finalement, l’échantillon est sorti du four et refroidi à l’air calme jusqu’à 20 °C.

État métallurgique

Le recuit complet est caractérisé par un refroidissement très lent et suit étroitement le diagramme d’équilibre fer‑carbone. Comme l’acier SAE 4140 contient 0,42 % de carbone, 0,94 % de chrome et 0,21 % de molybdène, sa trempabilité à l’air est augmentée (voir microstructure). Le fait de refroidir lentement lors de la traversée des lignes Ac1 et Ac3 (diagramme de d’équilibre fer-carbone) empêche la formation de martensite.

Remarques sur la composition chimique

Le silicium (0,22 %) est présent du fait du mode d’élaboration de l’acier. Le manganèse (0,89 %) provient du mode d’élaboration et est ajouté pour éviter la création de FeS (la formation 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 sous 0,02 % pour éviter la création de précipités indésirables (FeS, Fe₃P).

Le chrome (0,94 %) et le molybdène (0,21 %) 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 suivi d’un revenu que cet alliage a été mis au point.

Remarques sur la microstructure

Les éléments d’alliages présents (le chrome et le molybdène) déplacent le point eutectoïde vers la gauche à 0,59 % C et augmentent la température de transformation eutectoïde à 738 °C.

Avec l’attaque au nital 2 %, les grains révélés en blanc sont constitués de ferrite proeutectoïde contenant 0,002 % C. Les proportions de ferrite et de perlite sont respectivement de 15 % et de 85 %, ce qui ne correspond pas tout à fait aux proportions estimées par le diagramme d’équilibre fer-carbone (68 % de perlite et 28 % de ferrite). Le diamètre des grains de ferrite est d’environ 16 µm (ASTM G = 9), alors que la taille moyenne des grains, selon l’ASTM, correspond à un « G » de 7, pour un diamètre moyen de 27 µm.

Dans un grain de perlite formé durant un refroidissement lent et contrôlé, les lamelles de cémentite (Fe₃C) sont plus espacées les unes des autres. La distance interlamellaire peut être appréciée à des grossissements de 500X et de 1000X. Celle-ci est variable, ce qui indique la présence de colonies de perlite fine et grossière.

Certains précipités de MnS (grisâtres) sont aussi visibles.

Remarques sur les propriétés mécaniques

L’état recuit complet amène une ductilité maximale pour certaines opérations de mise en forme. Ainsi, c’est d’abord l’allongement à la rupture qui doit être maximisé. Lorsque la pièce est destinée à l’usinage, une structure perlitique doit être obtenue, et les phases provenant de la trempe (martensite) doivent être évitées. L’état recuit complet n’est que rarement l’état terminal pour une pièce en service.

La trempabilité de l’acier SAE 4140 permet l’application d’une variété de combinaisons « temps et température de maintien » pour ajuster les propriétés mécaniques telles la limite élastique, la résistance mécanique et la résilience.

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-06 Acier SAE 4140 Fini à froid
• Ac-07 Acier SAE 4140 Normalisé

Applications possibles

L’acier SAE 4140 possède un indice d’usinabilité de 65 % à l’état recuit complet, et cette caractéristique diminue rapidement avec l’augmentation de la proportion de martensite. Cet acier est faiblement soudable, peu importe l’état métallurgique, et demeure sensible à la fissuration à chaud.

Le recuit complet n’est que rarement l’état terminal pour la pièce en service. La plupart des applications faisant usage de l’acier faiblement allié SAE 4140 requièrent l’exploitation d’un intervalle de résistances mécaniques plus élevé pour un état « trempé et revenu » (Rm de 1200 à 1500 MPa). La dureté en surface peut être augmentée par une trempe superficielle (induction ou flamme) ou par nitruration.

Applications typiques : adapteurs, arbres, engrenage, essieux, boulons, goujons et écrous, vilebrequins, bielles, corps de mandrin, pinces, broches et rouleaux de transport, tiges de guidage, composants hydrauliques, broches de tour, pièces d’exploitation forestière, broches de fraisage, arbres moteurs, pignons, barres de torsion.

Provenance/Fabrication

La barre de 1 pouce de diamètre a été produite par Republic Steel, Ohio, États-Unis.

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