Acier 300M - A646 - K44220

Le 300M, résultat d’une optimisation de la composition chimique du 4340

La désignation « 300M » est un nom commercial, devenu usuel. Il est aussi désigné sous AISI 4340M (4340 « Modifié »), parfois noté AISI E4340 Mod. Sa désignation UNS (Unified Numbering System) est K44220. Il n’a pas d’équivalent direct dans la norme française/européenne mais correspondrait à un acier 40NiCrMo7 modifié.

On l’a vu, le 300M se distingue de l’acier 4340 classique par sa teneur plus élevée en silicium (~1,6 % vs ~0,25 % pour un 4340) et l’ajout d’une petite fraction de vanadium (~0,05–0,1 %). Sa teneur en carbone et en molybdène est aussi légèrement supérieure à son prédécesseur.

Cette composition est optimisée pour une trempe et une résistance en cœur supérieures. Ainsi, le silicium à cette teneur, retarde le revenu de la martensite. En inhibant la précipitation des carbures de cémentite (Fe₃C) lors du revenu vers 300 °C, il permet de conserver une résistance très élevée, comme l’illustre ce diagramme : [cf. le schéma ci-dessous, fig.1]

• Jusqu’à ~300 °C, la dureté des deux nuances reste très élevée ; le 300M conserve un léger avantage (~1 HRC).
• Entre 300 °C et 430 °C, le 4340 commence à s’adoucir nettement (perte d’environ 10 HRC), alors que le 300M baisse beaucoup plus lentement (-3 HRC).
• Au-delà de 500 °C, l’écart se creuse : le 300M garde encore ~47 HRC là où le 4340 tombe à ~35 HRC.

Enfin, le vanadium, en très petite quantité, affine la taille de grain lors du traitement thermique (formation de carbures/nitrures de V), améliorant à la fois la résistance et la ténacité.

Propriétés mécaniques du 300M, spécialisé en résistance à la fatigue

Comme la plupart des aciers ultra-haute résistance, le 300M ne présente pas de plateau de fatigue indiquant une limite de fatigue absolue : la courbe contrainte vs nombre de cycle continue de décroître au-delà de 10⁶ cycles.

Sur un acier plus plastique, comme le 17-4 PH (en condition H1025), la micro-plasticité locale amortit la pointe d’une fissure débutante ; la contrainte se répartit et la propagation s’éteint, d’où l’apparition d’une limite de fatigue. Rien de tel sur le 300M, peu ductile, qui possède aussi un seuil de propagation bas, si bien qu’une microfissure progresse dès qu’elle subit une sollicitation répétée.

Reste que le 300M a été spécialement conçu pour améliorer la tenue en fatigue par rapport à l’acier 4340. Il offre donc une excellente endurance en fatigue, supérieure à celle du 4340 dans des conditions comparables. Sa pureté (grâce à son élaboration sous-vide) couplée à sa martensite revenue fine lui octroient une bonne ténacité, ce qui ralentit la vitesse de propagation et décale toute la courbe de fatigue plus haut. La propagation reste donc plus lente que celle du 4340 grâce à sa ténacité et sa pureté.

Enfin, comme tous les aciers à haute résistance, il possède un écrouissage limité, et son allongement à la rupture (7-8%), quoique modeste, est notable, compte tenu de son niveau de résistance élevé.

Traitements thermiques du 300M, un alliage à trempe intégrale

Le 300M est un alliage à trempe intégrale, avec une dureté à cœur proche de celle de la surface. Il requiert un traitement thermique minutieux pour développer ses propriétés optimales, le moindre écart peut entraîner une baisse radicale de ses propriétés.

Normalisation et trempe

La courbe verte du diagramme ci-dessus (fig.2) représente le refroidissement à l’air effectué à 925 °C pendant 1h après normalisation. Elle sert à homogénéiser la microstructure (uniformiser la composition interne) ; le grain s’affine et devient plus régulier. Le métal en sort avec une microstructure fine, prête à être durcie, généralement de bainite. Ce traitement thermique est utilisé après mise en forme à chaud ou fabrication du 300M.

Les courbes orange et jaune (fig.2) représentent deux types de refroidissement après l’austénitisation (870 °C pendant 30 minutes à 1h), respectivement de refroidissement à l’air forcé (≈ 3 °C/s) et de trempe à l’huile (20 °C/s). Ce traitement chauffe le 300M juste assez pour dissoudre les carbures, ce qui permet aux éléments d'alliage et au carbone de se mettre en solution solide dans la nouvelle structure de l'austénite. Compte tenu de la forte teneur en Si qui augmente la tendance – inverse – à la décarburation, elle est effectuée sous atmosphère contrôlée ou vide pour l’éviter. La trempe est réalisée de préférence à l’huile, immédiatement à la sortie du four, pour obtenir une martensite en cœur. Le 300M présente une excellente trempabilité : même des sections épaisses (~90 mm) peuvent être trempées à cœur en obtenant une dureté supérieure à 50 HRC.

Double revenu

Après trempe, un double revenu est impératif pour à la fois détendre les contraintes internes, finir de transformer l’éventuelle austénite résiduelle et stabiliser le résultat. Un revenu plus bas donnera une résistance légèrement plus élevée au détriment de la ténacité, tandis qu’à l’inverse, il réduira la résistance (et la dureté) en augmentant la ténacité (voir fig.3 ci-dessous). Des précautions sont pourtant à prévoir : le 300M possède une fragilité de revenu entre 350 et 550 °C si le palier dure ou si le refroidissement est trop lent. Pour l’aéronautique, il est généralement effectué à 300 °C pendant 2+2 heures, ce qui permet d’atteindre une résistance d’environ 1900 MPa pour une ténacité satisfaisante pour des pièces critiques comme le train d’atterrissage.

Usinage et soudage

L’usinage est à effectuer à l’état doux (recuit ou normalisé). Le soudage est délicat vu que l’alliage est très durcissable à l’air, ce qui augmente les risques de fissuration. Il est possible, par résistance ou par fusion, seulement avec des précautions strictes (préchauffage, postchauffage) et un retraitement thermique (re-normalisation + revenu) après soudage.

En conclusion, l’acier 300M est un matériau de référence lorsque l’on cherche une excellente résistance mécanique, avec une bonne tolérance aux dommages (fissures, chocs) et une durée de vie élevée. Ses applications historiques phares sont les trains d’atterrissage d’avions militaires et civils, où il a longtemps été la référence.