1. Introduction
4140 L'acier est un acier chrome-molybdène à faible alliage.
Il offre une excellente combinaison de force, dureté, et résistance à l'usure, En faire un candidat idéal pour exiger des applications industrielles.
Cet article explore 4140 acier en alliage de plusieurs points de vue techniques, y compris sa composition chimique, comportement mécanique, réponse au traitement thermique, usinabilité, performance de corrosion, et utilisations courantes.
2. Composition chimique de 4140 Acier allié
La performance unique de 4140 acier allié provient de sa composition chimique soigneusement contrôlée:
| Élément | Poids % | Rôle dans les propriétés en acier |
|---|---|---|
| Carbone (C) | 0.38–0,43 | Améliore la force et la durabilité |
| Chrome (Cr) | 0.8–1.1 | Améliore la dureté, résistance à l'usure, et corrosion |
| Manganèse (Mn) | 0.75–1.0 | Stimule la ténacité et la désoxydation |
| Molybdène (Mo) | 0.15–0,25 | Améliore la résistance au fluage et la profondeur du durcissement |
| Silicium (Et) | 0.15–0,35 | Augmente la force, améliore légèrement la ténacité |
| Phosphore (P.) | ≤ 0.035 | Généralement minimisé pour réduire la fragilisation |
| Soufre (S) | ≤ 0.04 | Ajouté pour la machinabilité mais peut réduire la ténacité |
Par rapport à des alliages similaires comme 4130 (carbone inférieur) et 4340 (nickel supérieur), 4140 équilibre la force et la machinabilité, En faire une solution pratique et rentable pour de nombreuses applications structurelles.
3. Propriétés physiques de 4140 Acier
| Propriété | Valeur | Unité | Remarques |
|---|---|---|---|
| Densité | 7.85 | g/cm³ | Typique pour les aciers à faible alliage |
| Module d'élasticité (E) | ~ 205 | GPa | Rigidité en tension et compression |
| Module de cisaillement (G) | ~ 80 | GPa | Utile pour les applications de torsion |
| Le rapport de Poisson | 0.27–0.30 | – | Rapport de la déformation transversale à la déformation axiale |
| Conductivité thermique | 42.6 | W/m·K | À 100 °C; diminue légèrement avec des températures plus élevées |
| Capacité thermique spécifique | 475 | J/kg·K | Approximatif à température ambiante |
| Résistivité électrique | 205 | nω · m (mètres nano-ohms) | Plus haut que le fer pur; faible conductivité par rapport au cuivre |
| Coefficient de dilatation thermique | ~ 12.0 | µm / m · k (20– 100 ° C) | Important dans la conception du cycle thermique ou de la stabilité dimensionnelle |
| Point de fusion | 1416–1471 | °C | Range plus étroite en raison des éléments d'alliage |
4. Propriétés mécaniques de 4140 Acier
AISI 4140 est un acier en alliage chromium-molybdène polyvalent connu pour son excellente résistance mécanique, dureté, et résistance à la fatigue.
Ces 4140 Les propriétés en acier peuvent varier considérablement en fonction de leur état de traitement thermique (par ex., recuit, normalisé, éteint, ou tempéré).
Table de propriétés mécaniques
| Propriété | Recuit | Éteint & Tempéré (Q&T) | Unité | Remarques |
|---|---|---|---|---|
| Limite d'élasticité | ~ 655 MPa | Jusqu'à 1,600 MPa | MPa (mégapascals) | Q&T améliore considérablement la résistance |
| ~ 95 KSI | ~ 232 KSI | ksi (impérial) | ||
| Résistance à la traction | 850–1 000 MPa | 1,000–1100 MPA | MPa | Plage typique après divers traitements thermiques |
| 123–145 KSI | 145–160 KSI | ksi | ||
| Allongement à la rupture | 25–30% | 12–18% | % | Ductilité plus élevée dans l'état recuit |
| Réduction de la zone | ~ 50% | ~ 45% | % | Indicateur de ductilité et de formabilité |
| Dureté (Rockwell C) | 18–28 HRC | Jusqu'à 50–55 hrc | CRH | Très réactif à la trempe et à la trempe |
| Ténacité à chary en V en V | >54 J. (recuit) | 20–35 J (Q&T à haute dureté) | Joules | Performance dans les applications de chargement d'impact |
| Résistance à la fatigue (Limite d'endurance) | ~ 420 MPa | Jusqu'à 700 MPa | MPa | En fonction de la finition de surface et des cycles de chargement |
| Module d'élasticité (E) | ~ 205 GPA | – | GPa | La raideur reste constante dans les conditions |
5. Comportement de traitement thermique de 4140 Acier allié
AISI 4140 L'acier en alliage est très sensible à une variété de processus de traitement thermique, lui permettant d'obtenir un large éventail de propriétés mécaniques adaptées à des applications d'ingénierie spécifiques.
Son contenu de chrome et de molybdène améliore sa durabilité, le rendre particulièrement bien adapté aux opérations de l'extinction et de la température.
Processus de traitement thermique communs
| Processus | Plage de températures typique (°C) | But |
|---|---|---|
| Recuit | 760–790 ° C | Affine la structure des grains, adoucire l'acier, améliore la machinabilité |
| Normalisation | 870–900 ° C | Augmente l'uniformité, affiner la structure, Améliore la cohérence mécanique |
| Trempe | ~ 845–875 ° C, suivi de la trempe à l'huile / eau / polymère | Produit une structure martensitique pour une dureté et une force élevées |
| Trempe | 400–650°C (post-réserve) | Ajuste la dureté, soulage le stress interne, améliore la ductilité & dureté |
| Température orientale | Tremper à 260–400 ° C, tenir jusqu'à la transformation | Produit une structure bainititique, réduit la distorsion, équilibre la résistance à la force |
6. Machinabilité et fabrication de 4140 Acier
Usinabilité
Matériel 4140 L'acier présente une machinabilité modérée dans son état recuit et devient plus difficile à mesure que la dureté augmente.
Dans l'état recuit (Généralement environ 18 à 22 HRC), Il peut être usiné avec des outils en acier ou en carbure à grande vitesse, produisant de bonnes finitions de surface et une durée de vie de l'outil acceptable.
Cependant, Une fois l'acier éteint et tempéré à des niveaux de dureté plus élevés (comme 30 à 50 HRC), Sa machinabilité diminue.
A ce stade, outillage en carbure, Baisser les vitesses de coupe, et les configurations de machines rigides deviennent essentielles pour éviter l'usure des outils et la distorsion des pièces.
Pour Tournage CNC, fraisage, ou opérations de forage, En utilisant des méthodes de refroidissement appropriées - en particulier le liquide de refroidissement inondable - aide à dissiper la chaleur et à améliorer l'évacuation des copeaux.
Forage plus difficile 4140 Les sections nécessitent souvent des outils à pointe de cobalt ou de carbure, tandis que le tapotement des pièces durcies peut bénéficier d'un broyage de filetage ou d'une formation de robinets plutôt que de coups de coupe conventionnels.
Soudage
Soudage 4140 L'acier nécessite une prudence en raison de sa durabilité et de son risque de craquage élevé.
Pour atténuer ces risques, Préchauffer la pièce - généralement à 200–400 ° C en fonction de l'épaisseur - est fortement recommandé.
Le maintien d'une température interpasse d'environ 200 à 300 ° C aide à prévenir les chocs thermiques et les fissures induites par l'hydrogène.
Après le soudage, La réduction des contraintes du composant à environ 600 à 650 ° C aide à restaurer la ductilité et à réduire les contraintes résiduelles.
Des électrodes à faible hydrogène telles que E8018-B2 ou ER80S-D2 sont généralement utilisées pour le matériau de remplissage afin d'assurer la compatibilité et de réduire la porosité.
Dans les applications critiques, traitement thermique post-influencé (Pwht) est nécessaire pour maintenir l'intégrité et la ténacité de la zone soudée.
Formation froide et chaude
4140 L'acier en alliage peut être à froid dans son état recuit, Bien que sa résistance plus élevée par rapport aux aciers à faible teneur en carbone limite sa ductilité.
Des processus de formation à froid tels que le dessin et le swagage sont possibles mais nécessitent des forces plus élevées et peuvent induire des stress résiduels qui nécessitent un traitement thermique ultérieur.
Travail chaud, y compris le forgeage et le roulement chaud, est plus favorable à l'acier 4140.
La plage de température de forgeage idéale se situe entre 900 ° C et 1200 ° C, avec le matériau généralement terminé au-dessus de 850 ° C.
Après la formation chaude, La normalisation ou le recuit est recommandé pour affiner la structure des grains et préparer l'acier à l'usinage final ou au traitement thermique.
7. Résistance à la corrosion de 4140 Acier
Alors que 4140 L'acier en alliage excelle dans la résistance mécanique, il manque de résistance à la corrosion inhérente.
Dans des environnements humides ou marins, il oxyde facilement sauf si protégé. Pour contrer cela, traitements de surface tels que:
- Nitruration Pour le durcissement de la surface et la résistance
- Revêtement d'oxyde noir Pour une protection contre la corrosion légère
- Électroplate ou peinture dans des environnements à haute humidité
8. Formes et normes communes
4140 Alloy Steel est disponible dans une grande variété de formulaires commerciaux pour s'adapter à diverses applications industrielles.
Sa disponibilité sous différentes formes, combiné avec ses excellentes propriétés mécaniques et sa polyvalence au traitement thermique, En fait un choix populaire dans les composants standard et sur mesure.
Formes courantes de 4140 Acier
Les fabricants et les fabricants peuvent obtenir 4140 acier sous de nombreuses formes, en fonction de l'utilisation prévue et du traitement requis:
- Barres rondes: Couramment utilisé pour les arbres, épingles, engrenages, et attaches, Les barres rondes sont l'une des formes d'acier les plus fréquemment fournies 4140 En raison de leur polyvalence dans l'usinage et le traitement thermique.
- Barres plates et assiettes: Idéal pour l'outillage, composants de l'usure, et parties structurelles nécessitant de grandes zones de contact de surface.
Ces formes conviennent également à la coupe des flammes ou au traitement des jets d'eau. - Anneaux et disques forgés: Utilisé dans les machines rotatives à haute résistance comme les courses de roulements, accouplements, et les brides.
- Barres et tubes creux: Préféré dans les applications exigeant une réduction du poids tout en maintenant la force, comme les cylindres hydrauliques et les pièces contenant de la pression.
- Blocs et billettes: Convient pour l'usinage personnalisé et les grands composants forgés. Ceux-ci sont généralement utilisés dans les équipements industriels de la matrice et lourds.
Normes et désignations de l'industrie pour 4140 Acier
| Organisation standard | Désignation | Région / pays | Description |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | États-Unis | Spécifications générales pour les barres de carbone et d'alliage à la bouche à chaud |
| ASTM | ASTM A322 | États-Unis | Spécification pour les barres en acier en alliage utilisées dans les applications mécaniques |
| ASTM | ASTM A519 | États-Unis | Spécifications pour les tubes mécaniques en carbone et en alliage en alliage |
SAE |
SAE 4140 | États-Unis | Chromium-molybdène à faible teneur en alliage pour les applications automobiles et d'ingénierie |
| AISI | AISI 4140 | États-Unis | Des désignation couramment utilisée alignée avec SAE 4140 |
| DANS / DEPUIS | 1.7225 / 42CRMO4 | Europe / Allemagne | Équivalent européen sous EN 10083 Pour les aciers à trempe et à tempérament |
| IL | SCM440 | Japon | Équivalent japonais pour l'acier en alliage haute résistance |
| FR | 42CRMO | Chine | Équivalent chinois avec des propriétés mécaniques similaires |
9. Applications de 4140 Acier allié
Acier 4140 est un matériau incontournable dans les applications nécessitant une résistance, dureté, et porter une résistance sous la fatigue et le chargement des chocs:
- Automobile: engrenages, vilebrequins, ties à nœud, essieux
- Aérospatial: composants du train d'atterrissage, actionneurs
- Huile & Gaz: colliers de percer, pièces de fracturation hydraulique
- Fabrication: mandrins, meurt, moules, porte-outils
Étude de cas: Dans un test de fatigue comparative, un acier 4140 Q&T arbre de vitesse T a été démontré 10x la durée de vie d'une conception similaire à base d'acier doux, mettre en évidence sa valeur à long terme.
10. Avantages et limitations de 4140 Acier allié
Avantages:
- Haut force à poids Ratio pour les applications structurelles
- Excellent résistance à l'usure Après durcissement
- Traitement thermique polyvalent réponse
- Facilement disponible sous plusieurs formes et normes
Limites:
- Pas adapté à environnements corrosifs sans protection de surface
- Nécessite Soudage soigneux pratiques pour éviter de craquer
- Coût plus élevé et la complexité que les aciers en carbone ordinaire
11. Conclusion
4140 L'acier en alliage offre un mélange convaincant de résistance mécanique, dureté, et résistance à l'usure, le rendre indispensable dans les applications d'ingénierie critiques.
Lorsqu'il est correctement traité à la chaleur et protégé, Il offre une durée de vie exceptionnelle dans des conditions de fonctionnement exigeantes.
Que ce soit pour l'aérospatiale, énergie, ou composants d'outillage, matériel 4140 L'acier reste l'un des matériaux les plus fiables et les plus capables de la fabrication moderne.
Les ingénieurs qui comprennent ses exigences de comportement et de traitement peuvent pleinement exploiter son potentiel.
CE est le choix parfait pour vos besoins de fabrication si vous avez besoin de haute qualité 4140 pièces en acier.
