Si l'on compare les aciers 4340 et 4140, ces deux matériaux se distinguent comme des aciers faiblement alliés largement utilisés pour la fabrication d'arbres, d'engrenages, de pièces de fixation et de composants de transmission.
Cependant, ils ne sont pas directement interchangeables. La section, les charges d'impact, la durée de vie en fatigue et le coût de fabrication sont autant de facteurs qui influencent le choix du matériau.
En termes simples, l'acier 4140 offre un excellent compromis entre performances et coût. En revanche, l'acier 4340 est mieux adapté aux profilés de grande section et aux composants exposés à des charges d'impact élevées ou présentant un risque élevé de rupture.
Cet article compare leurs normes internationales, leurs compositions chimiques, leurs propriétés, leurs procédés de fabrication, leurs coûts et leurs applications.
Qu'est-ce que l'acier 4140 ?
acier 4140 Il s'agit d'un acier faiblement allié au chrome-molybdène à teneur moyenne en carbone. Il présente une bonne résistance mécanique, une bonne ténacité et une bonne trempabilité.
L'acier 4140 trempé et revenu convient à la fabrication d'arbres, d'engrenages, de pignons, de boulons et de composants d'outillage.
Sa chaîne d'approvisionnement bien rodée contribue également à réduire les coûts d'approvisionnement.
Il s'agit d'un acier à durabilité moyenne. À mesure que la section augmente, la dureté et la résistance au cœur deviennent inférieures à celles observées en surface.
Qu'est-ce que l'acier 4340 ?
acier 4340 Il s'agit d'un acier faiblement allié au nickel, au chrome et au molybdène, à teneur moyenne en carbone. Le nickel constitue la principale différence de composition entre les nuances 4340 et 4140.
La nuance 4340 offre une trempabilité et une ténacité supérieures. Les pièces de grande section permettent également d'obtenir des propriétés plus homogènes au cœur.
Il est adapté aux arbres soumis à des contraintes élevées, aux engrenages fortement sollicités et aux composants de transmission utilisés dans le secteur aérospatial.
Ses exigences plus strictes en matière de matériaux et de contrôle qualité entraînent également une augmentation des coûts.
Normes internationales relatives aux aciers 4140 et 4340
Les nuances 4140 et 4340 relèvent du système de désignation SAE/AISI. Ces nuances désignent des types de composition plutôt que des niveaux fixes de dureté ou de résistance.
La norme applicable au produit, l'état des matériaux et les exigences en matière de contrôle doivent également être précisés lors de l'achat de ces matériaux.
Désignations SAE/AISI et UNS
La norme SAE 4140 désigne un acier allié au chrome et au molybdène. La norme SAE 4340 désigne un acier allié au nickel, au chrome et au molybdène.
| Matériau | Désignation UNS |
|---|---|
| 4140 | G41400 |
| 4340 | G43400 |
Les désignations UNS constituent un moyen harmonisé d'identifier les matériaux. Elles n'indiquent pas pour autant qu'un matériau a obtenu une certification aérospatiale ou militaire.
Normes ASTM courantes
| Norme ASTM | Champ d'application principal |
| ASTM A29/A29M | Exigences générales relatives aux barres en acier au carbone et en acier allié laminées à chaud |
| ASTM A322 | Barres en acier allié de qualité standard |
| ASTM A434/A434M | Barres en acier allié, forgées à chaud ou finies à froid, trempées et revenues |
Les normes ASTM sont classées en fonction de la forme du produit et des conditions de fourniture.
Le bon de commande doit également préciser la nuance, les dimensions et l'état de traitement thermique.
Spécifications courantes AMS relatives aux matériaux aérospatiaux
| Matériau | Spécifications AMS | Portée type |
| 4140 | AMS 6382 | Barres, pièces forgées et anneaux de qualité aéronautique |
| 4140 | AMS 6349 | Barres d'acier à l'état normalisé |
| 4340 | AMS 6414 | Barres, pièces forgées et tubes mécaniques de qualité supérieure |
| 4340 | AMS 6415 | Barres, pièces forgées et tubes mécaniques de qualité aéronautique |
Les projets aérospatiaux doivent également respecter les exigences relatives au processus de fusion, à la propreté et aux essais non destructifs.
La révision des spécifications indiquée sur le dessin fait foi.
Une norme n'est pas la même chose qu'une certification de matériau
Une norme définit les exigences relatives aux matériaux. Un certificat MTC ou MTR atteste qu'un lot spécifique répond à ces exigences.
Le certificat doit comporter au moins les informations suivantes :
- Nature du matériau et norme applicable ;
- Numéro de cuvée et informations sur le lot ;
- Composition chimique réelle ;
- Conditions de fourniture et de traitement thermique ;
- Dureté et propriétés mécaniques ;
- Résultats des contrôles et dimensions des produits.
Par conséquent, un bon de commande ne peut pas se contenter d'indiquer “ 4140 ” ou “ 4340 ”. Il est indispensable de préciser l'ensemble des spécifications techniques pour garantir la traçabilité des matériaux.
Comparaison de la composition chimique des aciers 4340 et 4140
Les fourchettes suivantes se rapportent à SAE J404 et ASTM A322. Toutes les valeurs sont exprimées en pourcentage massique.
| Élément | Acier 4140 | Acier 4340 |
| Carbone (C) | 0.38%–0.43% | 0.38%–0.43% |
| Manganèse (Mn) | 0.75%–1.00% | 0.60%–0.80% |
| Chrome (Cr) | 0.80%–1.10% | 0.70%–0.90% |
| Nickel (Ni) | —* | 1.65%–2.00% |
| Molybdène (Mo) | 0.15%–0.25% | 0.20%–0.30% |
Remarque: *“ — ” signifie que le nickel n'est pas un élément d'alliage spécifié dans la norme 4140. Cela ne signifie pas pour autant que la teneur en nickel soit absolument nulle.
Le tableau ne répertorie que les principaux éléments qui distinguent ces deux aciers. Les teneurs en silicium, en phosphore et en soufre doivent néanmoins respecter la norme spécifiée dans le bon de commande.
Principales différences de composition chimique
Ces deux aciers présentent la même teneur en carbone. Le carbone est à l'origine de la dureté et de la résistance obtenues après traitement thermique.
La nuance 4340 contient du nickel dans une proportion comprise entre 1,651 TP3T et 2,001 TP3T. Le nickel améliore la ténacité, la trempabilité et la résistance aux chocs à des niveaux de résistance élevés.
Ces deux aciers contiennent du chrome et du molybdène. Le chrome améliore la trempabilité et la résistance à l'usure, tandis que le molybdène améliore la stabilité de revenu.
Ces teneurs en éléments d'alliage sont insuffisantes pour garantir une résistance à la corrosion comparable à celle de l'acier inoxydable. Ces deux matériaux nécessitent une protection de surface dans les environnements humides.
Force et résistance
La résistance détermine la capacité d'un composant à supporter des charges. La ténacité détermine sa capacité à absorber les chocs sans se fracturer.
L'acier 4140 trempé et revenu offre une résistance élevée. Il répond aux exigences de charge de la plupart des arbres, engrenages et éléments de fixation industriels.
À résistance égale, le 4340 présente une meilleure ténacité. Il résiste également mieux aux chocs et aux charges cycliques que le 4140.
| Propriété | Acier 4140 | Acier 4340 |
| Niveau de force | Haut | Plus élevé |
| Résistance aux chocs | Bon | Plus élevé |
| Résistance à la fatigue | Bon | Plus élevé |
| Performances des profilés de grande section | Modéré | Excellent |
À mesure que la dureté augmente, la résistance des deux matériaux s'accroît tandis que leur ténacité diminue.
Lors de la comparaison des données mécaniques, l'état de traitement thermique, la dureté, les dimensions de la section et l'orientation de l'éprouvette doivent être identiques.
Capacité de trempe et dimensions de la section
La trempabilité désigne la capacité d'un acier à développer une structure trempée en profondeur. Elle ne doit pas être confondue avec la dureté maximale en surface.
Le 4140 est un acier à durcissabilité moyenne. À mesure que la section augmente, des différences nettes apparaissent au niveau de la microstructure et de la dureté entre la surface et le cœur.
Le système d'alliage nickel-chrome-molybdène confère au 4340 une meilleure trempabilité. La structure trempée peut s'étendre plus profondément dans les sections de plus grande taille.
À taille de section et conditions de trempe identiques, l'acier 4340 offre des propriétés plus homogènes au cœur.
| État des composants | Considérations relatives aux matériaux |
| Section petite à moyenne | La référence 4140 répond à la plupart des exigences industrielles |
| Arbre de grand diamètre | La nuance 4340 offre une plus grande profondeur de trempe à cœur |
| Forgeage de pièces à section épaisse | Le 4340 réduit l'écart entre les propriétés de surface et celles du cœur |
| Exigences strictes en matière de caractéristiques essentielles | Vérifier à l'aide d'un échantillon d'essai de traitement thermique ou d'un échantillon d'essai d'allongement |
La taille de la section, le milieu de trempe et la dureté cible doivent être évalués conjointement. La dureté superficielle ne peut se substituer aux données relatives aux propriétés du cœur.
Traitement thermique et dureté
Les propriétés des aciers 4140 et 4340 peuvent toutes deux être modifiées par recuit, normalisation, trempe et revenu.
Le recuit réduit la dureté et améliore l'usinabilité. Cet état est adapté à l'usinage de dégrossissage et à l'usinage de contours complexes.
La trempe augmente la résistance et la dureté. Le revenu réduit la fragilité et permet d'établir un équilibre entre résistance et ténacité.
Traitement thermique Caractéristiques des deux matériaux
L'acier 4140 convient à la trempe et au revenu, au durcissement par induction et à la nitruration. Il répond aux exigences de dureté de la plupart des composants mécaniques.
L'acier 4340 acquiert une résistance mécanique et une ténacité élevées grâce à la trempe et au revenu. Sa grande trempabilité garantit un durcissement en profondeur dans les sections de grande section.
Trempe par induction et nitruration peuvent tous deux former une couche superficielle durcie. Le cœur résistant continue d'absorber les charges d'impact et de flexion.
Comment faut-il définir les exigences en matière de dureté ?
Un dessin ne doit pas se contenter d'indiquer une valeur HRC. L'état de traitement thermique, l'emplacement du contrôle et la profondeur effective de cémentation doivent également être précisés.
Les composants de grande section doivent également présenter une dureté au cœur conforme aux spécifications. Les composants critiques pour la sécurité doivent faire l'objet d'essais supplémentaires de traction, de résistance aux chocs et d'essais non destructifs.
Usinabilité et coût de fabrication
La dureté du matériau a une incidence plus importante sur l'efficacité de l'usinage que la différence de nuance. Un matériau recuit est plus facile à usiner qu'un matériau trempé et revenu.
L'acier 4140 recuit convient au tournage, au fraisage, au perçage et à la rectification. Ses méthodes d'usinage bien établies permettent une production en série efficace.
L'acier 4340 recuit convient également à l'usinage classique. À mesure que la dureté augmente, l'usure des outils et la chaleur de coupe augmentent également.
Les pièces en acier 4340 à haute dureté doivent être usinées par rectification, tournage dur ou électroérosion.
Séquence de fabrication recommandée
- Vérifier la norme relative au matériau et la dureté à la livraison ;
- Effectuer l'usinage de dégrossissage et prévoir une marge de finition ;
- Procéder à la décompression conformément aux exigences du processus ;
- Trempe et revenu complets ;
- Effectuer un meulage ou une autre opération de finition ;
- Vérifier la dureté, les dimensions et la qualité de surface.
Cette séquence de processus réduit le risque de déformation due au traitement thermique. Elle permet également d'éviter un usinage intensif dans des conditions de dureté élevée.
Différence de coût pour des composants identiques usinés par CNC
Les fourchettes suivantes sont basées sur une géométrie, des tolérances, des quantités, un traitement thermique et des exigences de surface identiques.
Pour une qualité industrielle standard, une pièce usinée CNC en acier 4340 coûte entre 10% et 30% de plus que la même pièce fabriquée en acier 4140.
| Type de composant | Augmentation des coûts pour le 4340 | Facteur de coût principal |
| Composant de précision complexe | 5%-15% | Le temps d'usinage CNC représente une part plus importante du coût total |
| Arbre standard ou engrenage | 10%–25% | Hausse des coûts des matériaux et des traitements thermiques |
| Pièce de grand diamètre avec un faible taux d'enlèvement de matière | 20%–35% | Les matières premières représentent une part plus importante du coût total |
| Composant fabriqué à partir d'un matériau de qualité aérospatiale ou d'un matériau VAR | Cité séparément | Exigences différentes en matière de certification et d'inspection |
Si un composant en acier 4140 coûte 100 dollars américains, un composant identique en acier 4340 coûte entre 110 et 130 dollars américains.
Une pièce de précision complexe coûte entre 105 et 115 dollars américains. Une pièce de grand diamètre présentant un faible taux d'enlèvement de matière coûte entre 120 et 135 dollars américains.
Les plages indiquées ci-dessus ne s'appliquent pas à la certification aérospatiale, aux procédés de fusion spéciaux ni aux essais à taille réelle.
Soudabilité
Ni le 4140 ni le 4340 ne sont des aciers à faible teneur en carbone faciles à souder. Un refroidissement rapide entraîne la formation d'une microstructure dure et cassante dans la zone affectée thermiquement.
Le 4140 est plus facile à souder que le 4340. Le préchauffage, l'utilisation d'un métal d'apport à faible teneur en hydrogène et un refroidissement lent permettent de limiter les fissures à froid.
L'acier 4340 présente une meilleure trempabilité. Sa zone affectée thermiquement nécessite un contrôle plus rigoureux de la teneur en hydrogène et une gestion plus précise de la température.
La procédure de soudage doit inclure les exigences suivantes :
- Éliminer toute trace d'huile, de rouille et d'humidité sur les surfaces d'assemblage ;
- Utilisez un métal d'apport sec et à faible teneur en hydrogène ;
- Respectez les exigences du WPS concernant les températures de préchauffage et entre-passes ;
- Contrôler l'apport thermique et la vitesse de refroidissement ;
- Effectuer le traitement thermique après soudage conformément aux spécifications de conception ;
- Vérifier la dureté de la soudure et de la zone affectée thermiquement.
Pour les composants 4340 critiques pour la sécurité, il convient de privilégier les pièces forgées d'un seul tenant ou les assemblages mécaniques. Toute soudure de réparation nécessite une nouvelle vérification des performances.
Il convient de revoir le choix des matériaux pour les structures nécessitant de nombreux travaux de soudage. L'acier à faible teneur en carbone offre une meilleure efficacité de soudage.
Comportement à la fatigue et à l'usure
La rupture par fatigue résulte d'une sollicitation répétée. La résistance à l'usure dépend de la dureté, de la lubrification et de la pression de contact.
L'acier 4140 trempé et revenu offre de bonnes performances en matière de résistance à la fatigue. Il convient à la fabrication d'arbres, d'engrenages et de composants de transmission de puissance à usage général.
Le 4340 conserve une meilleure ténacité à des niveaux de résistance élevés. Il est mieux adapté aux composants soumis à la fois à des chocs et à des charges cycliques.
À dureté égale, ces deux aciers présentent des caractéristiques d'usure de base similaires.
Le principal atout du 4340 réside davantage dans sa résistance à la rupture que dans sa résistance intrinsèque à l'usure.
Les mesures suivantes permettent d'améliorer la résistance à la fatigue :
- Réduire la rugosité de surface ;
- Augmenter les rayons de transition ;
- Éviter les brûlures dues au meulage et la décarburation ;
- Recourir au grenaillage, au laminage ou à la trempe superficielle ;
- Contrôler les inclusions et la propreté des matériaux ;
- Améliorer la lubrification et la protection contre la corrosion.
L'amélioration du matériau ne peut pas compenser la présence d'angles vifs, de marques d'outils ou d'un traitement de surface inadéquat.
Applications courantes des aciers 4140 et 4340
Les domaines d'application de ces deux aciers se recoupent. La taille des composants, le niveau de charge et les conséquences d'une défaillance déterminent la nuance finale.
| Application | 4140 | 4340 |
| Arbre de petit à moyen diamètre | Préféré | Performances supérieures |
| Engrenages et pignons à usage général | Préféré | Adapté |
| Boulon à haute résistance | Préféré | Convient à une utilisation sous forte charge |
| Composant d'outillage et de matrice | Préféré | Convient à une utilisation sous forte charge |
| Arbre de transmission de grand diamètre | Limité par la taille de la section | Préféré |
| Vilebrequin à usage intensif et engrenage soumis à de fortes contraintes | Limité par le niveau de charge | Préféré |
| Composant de train d'atterrissage et de transmission pour l'aérospatiale | Limité par les spécifications | Utilisé conformément aux spécifications AMS |
| Composant de forage et d'énergie à fort impact | Convient aux charges standard | Idéal pour une utilisation intensive |
Le 4140 est principalement utilisé dans les secteurs de la construction mécanique générale, de l'automobile, des outils pour champs pétroliers et de la fabrication de matrices.
Le 4340 est principalement destiné aux applications dans les secteurs de l'aérospatiale, des transmissions pour poids lourds, de l'automobile haute performance et des équipements énergétiques soumis à de fortes charges.
Avantages et limites des aciers 4140 et 4340
| Élément de comparaison | Acier 4140 | Acier 4340 |
| Atout majeur | Des performances équilibrées et un coût réduit | Résilience élevée et trempe en profondeur |
| Usinage et disponibilité | Des processus éprouvés et une large disponibilité | Plus difficile à usiner en raison de sa grande dureté |
| Capacité de la section | Convient aux sections de petite à moyenne taille | Convient aux sections de grande taille |
| Contrôle du soudage | Strict | Plus strictes |
| Fatigue et résistance aux chocs | Répond aux exigences générales | Convient aux conditions d'utilisation à haut risque |
| Principale limite | Les propriétés du noyau sont limitées par la taille de la section | Coûts plus élevés liés aux matériaux, au traitement thermique et aux contrôles |
| Résistance à la corrosion | Nécessite une protection de surface | Nécessite une protection de surface |
Les atouts du 4140 résident dans son équilibre et son rapport qualité-prix. Les atouts du 4340 résident dans sa résistance et sa ténacité élevées, associées à sa capacité à être utilisé dans des sections de grande taille.
L'utilisation de l'acier 4340 sans qu'il y ait d'exigence de section importante ou de risque élevé de rupture entraîne une surdimensionnement du matériau.
Comment choisir entre l'acier 4340 et l'acier 4140 ?
Le choix des matériaux ne peut pas se fonder uniquement sur la résistance à la traction. Il faut également tenir compte des dimensions de la section, du type de charge, des conditions de fabrication et des conséquences d'une défaillance.
| État d'avancement du projet | Matériau recommandé | Motif de la sélection |
| Arbre de petit à moyen diamètre | 4140 | Une résistance suffisante et un coût réduit |
| Engrenages et pignons à usage général | 4140 | Bon équilibre entre performances et usinabilité |
| Composant mécanique fabriqué en série | 4140 | Un approvisionnement stable et un système de fabrication bien rodé |
| Fixation standard à haute résistance | 4140 | Répond aux exigences de résistance après trempe et revenu |
| Pièce forgée à grand diamètre et à section épaisse | 4340 | Capacité accrue de trempe du cœur |
| Composant de transmission à fort impact | 4340 | Conserve une meilleure ténacité tout en offrant une résistance élevée |
| Composant soumis à une fatigue à haut nombre de cycles | 4340 | Meilleure résistance aux fractures |
| Composant aérospatial critique pour la sécurité | 4340 | Répond aux exigences élevées en matière de propreté et de traçabilité |
| Structure nécessitant de nombreux travaux de soudure | Réévaluer le contenu | Ces deux matériaux nécessitent des contrôles rigoureux lors du soudage |
Choisissez le matériau en quatre étapes
- Vérifiez les dimensions de la section : Privilégiez d'abord le 4140 pour les sections de petite à moyenne taille et le 4340 pour les grandes sections.
- Vérifiez le type de chargement : Choisissez la référence 4140 pour les charges standard et la référence 4340 pour les charges à fort impact et à cycles répétés.
- Vérifier les capacités de production : Vérifier les capacités en matière d'usinage, de traitement thermique, de contrôle qualité et de traçabilité des matériaux.
- Calculer le coût total : Prendre en compte les risques liés aux matériaux, à l'usinage, au traitement thermique, au contrôle et aux retouches.
Le choix final doit se fonder sur le plan et le cahier des charges techniques. La nuance d'un matériau ne suffit pas à elle seule à déterminer les performances d'un composant.
Conclusion
L'acier 4140 convient à la plupart des composants mécaniques de petite à moyenne section. Il offre un bon équilibre entre résistance, usinabilité et coût.
L'alliage 4340 convient aux composants de grande section, soumis à des chocs importants et pour lesquels la sécurité est primordiale. Ses principaux atouts sont sa ténacité et sa capacité à se cémenter en profondeur.
Lors de l'achat de l'un ou l'autre de ces matériaux, il convient également de préciser les conditions de fourniture, le traitement thermique, la dureté, les points à contrôler et le certificat de conformité du matériau.
Des spécifications techniques complètes permettent de réduire les délais d'établissement des devis et d'éviter une conception trop complexe des matériaux ainsi que les retouches qui en découlent.
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