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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 de normalisation » a été réalisé avec un four électrique à résistances électriques, sans protection gazeuse, à partir d’un échantillon d’acier 4140 fini à froid. 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

La normalisation implique un refroidissement à l’air calme dès la sortie de l’échantillon qui se trouve à la température d’austénitisation. La normalisation produit une structure perlitique plus fine et plus abondante (le point eutectoïde se déplace vers la gauche) et entraîne l’apparition de martensite, surtout en surface. 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).

L’état normalisé est celui qui précède le cycle de trempe, il est rarement un état final pour cet alliage.

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

Avec l’attaque au nital 2 %, trois (3) phases sont observées, soit la ferrite (blanche), la perlite (zébrée) et même des îlots de martensite (brunâtres avec de fines aiguilles). Les éléments d’alliage permettent la trempe partielle de la pièce à l’air (en la sortant du four après l’austénitisation). La microstructure est composée de ferrite (de 5 à 8 %), de martensite (de 15 à 20 %) et de perlite (de 70 à 75 %). Quelques précipités de MnS sont présents.

Remarques sur les propriétés mécaniques

Avec une résistance mécanique de 1070 MPa et le maintien d’un allongement à la rupture de près de 10 %, l’acier SAE 4140 à l’état normalisé combine résistance et ductilité . La trempabilité de l’acier SAE 4140 permet d’appliquer par la suite une variété de combinaisons « temps et température de maintien » pour ajuster les propriétés mécaniques telles que 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-06 Acier SAE 4140 Fini à froid
• 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.

Le recuit de normalisation (qui correspond à une trempe à l’air) est parfois un état terminal pour la pièce en service. La plupart des applications faisant usage de l’acier faiblement allié SAE 4140 nécessitent l’exploitation d’un intervalle de résistances mécaniques plus élevé, qui est obtenu à la suite à d’une trempe suivie d’un revenu (Rm entre 1200 et 1700 MPa). La dureté en surface peut 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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