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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

La plupart des barres finies à froid sont produites à partir de barres laminées à chaud qui sont ensuite tréfilées à froid (cold drawn) à travers une matrice. La réduction à froid de la barre entraîne une amélioration des propriétés mécaniques, avec une finition de surface lisse réduisant les tolérances dimensionnelles.

État métallurgique

La plupart des barres finies à froid sont produites à partir de barres laminées à chaud qui sont ensuite tréfilées à froid (cold drawn) à travers une matrice. La finition à froid de la barre entraîne une amélioration des propriétés mécaniques, avec une finition de surface lisse réduisant les tolérances (dimensionnelles et géométriques) et une amélioration de l’usinabilité.

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 et revenu que cet alliage a été mis au point.

Remarques sur la microstructure

Les éléments d’alliages présents, soit 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.

Le refroidissement lent lors du recuit, appliqué avant la finition à froid, entraîne une proportion de ferrite à environ 28 % et de perlite à environ 72 %, ce qui respecte le diagramme d’équilibre fer-carbone ainsi « modifié ». Le diamètre des grains de ferrite et de perlite est d’environ 11 µm, ce qui correspond, selon l’ASTM, à une taille de grain « G » de 10.

L’espace interlamellaire dans la perlite est variable, passant de « fin » à « élevé », selon la zone observée. Le refroidissement lent permet d’éviter la formation de martensite. Certains précipités de MnS (grisâtres) sont présents.

Remarques sur les propriétés mécaniques

L’écrouissage à froid permet d’augmenter la résistance mécanique, d’éliminer les bandes de Lüders (à la transition déformation élastique et plastique) et d’améliorer le fini de surface.

La trempabilité du AISI 4140 permet d’appliquer une variété de combinaisons « temps et température de maintien » pour ajuster les propriétés mécaniques telles que, entre autres, la dureté, 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-07 Acier SAE 4140 Normalisé
• Ac-17 Acier SAE 4140 Recuit complet

Applications possibles

À l’état fini à froid, l’acier SAE 4140 possède un indice d’usinabilité de 65 %. Cette caractéristique diminue rapidement avec l’augmentation de la proportion de martensite obtenue après un cycle de trempe et revenu. Cet acier est faiblement soudable, peu importe l’état métallurgique, et demeure sensible à la fissuration à chaud.

La plupart des applications faisant usage de l’acier faiblement allié SAE 4140 nécessitent d’exploiter un intervalle de résistances mécaniques plus élevé, qui est obtenu après un cycle de trempe et revenu (Rm de 1200 à 1500 MPa). La dureté en surface peut ensuite être augmentée par une trempe superficielle (induction ou flamme) ou par nitruration.

Applications typiques : adapteurs, arbres, engrenages, 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 provient de Republic Steel, Ohio, États-Unis.

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