4140鋼——屬于鉻钼合金鋼系列，因其獨特的合金元素構成常被稱為"鉻钼鋼"。它屬于中碳鋼範疇，在強度與延展性之間實現了最佳平衡。其牌号"4140"直觀揭示了核心成分：約0.4%碳、1%鉻與0.2%钼，輔以其他微量元素。這種鋼材在熱處理後能實現高強度和良好韌性的理想結合，被廣泛應用于制造承受高應力、高負荷的零部件。
一、4140鋼--化學成分
4140鋼的核心優勢源于其元素的協同作用。碳提供強度硬度，鉻在提升耐腐蝕性的同時，通過細化晶粒來增強韌性，钼則保障高溫性能。三者各司其職又相互配合，缺一不可，共同構成了該材料應對複雜工況的卓越能力。
各主要元素及其作用如下：
碳：含量約0.4%，作為核心硬化元素，直接決定鋼的強度與硬度。
鉻：占比約1%，顯著提升材料淬透性、耐磨性與耐腐蝕性，同時通過細化晶粒結構增強韌性。
钼：約占0.2%，有效提高鋼材強度（尤其高溫環境），同時增強耐磨性能。
錳：微量存在，可提升淬透性與耐磨性，并有效中和硫元素的有害影響。矽：作為脫氧劑使用，适量添加可增強材料強度。
硫/磷：作為有害雜質被嚴格控制在最低水平，以防降低材料性能。
4140化學成分含量（%） | |||||||||
化學元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Mo |
最小值 | 0.38 | 0.15 | 0.75 | / | / | 0.8 | / | / | 0.15 |
最大值 | 0.43 | 0.35 | 1 | 0.035 | 0.04 | 1.1 | 0.25 | 0.35 | 0.25 |
二、4140鋼--機械性能
厚度t /mm | 抗拉強度σb /MPa | 屈服點σs /MPa | 斷後伸長率或延伸率δ % | 硬度 HB |
t=25 | ≥1080 | ≥930 | ≥12 | ≤217 |
在材料選型時，機械性能是關鍵考量。它決定了材料在載荷、溫度等條件下的實際表現。4140鋼之所以備受推崇，正因其在強度、硬度和延展性之間實現了出色平衡，及其獨特的熱學特性。
強度/硬度/延展性的三重平衡：
強度：具有很高的抗拉強度與屈服強度，确保構件在承受重大載荷時保持形态穩定。
硬度：出色的抗變形與抗磨損能力，保證零件在磨蝕環境或頻繁摩擦工況下仍保持長久耐用。
延展性：在保持強度與硬度的同時，展現優異的塑性變形能力，既滿足加工成型需求，又确保使用過程中的沖擊韌性。
熱學特性及控溫性：
熱膨脹系數：熱膨脹系數穩定，熱脹冷縮規律明确，為高溫工況下的公差設計提供可靠依據。
熱穩定性：钼元素有效提升高溫強度，在長期熱負荷下仍能保持性能穩定，尤其适用于發動機等熱工部件。
導熱特性：具有适中的導熱能力，有助于實現均勻熱分布與高效散熱，滿足溫控敏感場景的應用需求。
三、4140鋼--特點優勢
4140鋼在制造過程中的優勢主要體現在以下幾個方面：
優異的淬透性：鉻和钼的加入使其在熱處理時，能夠使較厚或複雜截面的零件實現從表到裏均勻的硬度。
良好的機械加工性：在退火狀态下，4140鋼具備良好的機械加工性能，能夠相對容易地進行車、銑、鑽等加工，獲得光潔的表面。
可焊接性：4140鋼可以進行焊接，但需要遵循特定工藝。通常需要焊前預熱和焊後熱處理，以消除應力、防止裂紋并恢複焊縫區域的性能。
卓越的熱處理适應性：能夠通過退火、正火、淬火與回火等多種熱處理工藝，靈活地調整其最終的力學性能，以滿足不同應用的特定需求。
四、4140鋼--應用領域
4140鋼憑借其平衡的綜合性能，在多個關鍵行業中得到廣泛應用：
汽車工業：用于制造傳動軸、車軸、連杆、齒輪、凸輪軸等高應力運動部件。
重型機械：常用于制造液壓缸、輥軸、機架、銷軸以及各種工裝夾具。
石油與天然氣：用于鑽铤、鑽杆、閥門零件、法蘭及其他井下工具。
航空航天：應用于飛機起落架部件、結構件等對強度/重量比要求高的領域。
模具制造：常用于制造塑料模具（如模架）以及一些不需要極高耐磨性的壓鑄模具。
五、4140鋼VS其他合金鋼
牌号 | 對比維度 | ||
核心成分 | 關鍵性能 | 加工特性 | |
4140鋼 | 中碳(0.38~0.43%)，含Cr、Mo | 強度、硬度均衡 | 可加工性較好(SAE評分65) |
4130鋼 | 低碳(0.28~0.33%)，含Cr、Mo | 韌性優異，強度适中 | 可加工性、焊接性更優(SAE評分70) |
4150鋼 | 高碳(0.48~0.53%)，含Cr、Mo | 強度、硬度最高，韌性偏低 | 冷加工前需熱處理，加工性較差 |
4340鋼 | 中碳(0.38~0.43%)，含Cr、Mo、Ni | 強度韌性雙優，抗疲勞性好 | 退火态易切削，焊接需特殊處理 |
8620鋼 | 低碳(0.18~0.23%)，含Cr、Mo、Ni | 芯部韌性好，滲碳後表面耐磨 | 焊接性優，退火後易切削 |
六、4140鋼近似牌号對照與接近匹配牌号
近似牌号對照：是各個國家或組織标準中的近似材料的不同名稱和鋼号對照表，通常情況下，這些牌号可進行替代，但應根據實際使用場合進行甄别。
國家或組織 | 牌号 (等級/别名/符号) |
GB(中國) | 42CrMo/A30422 |
CNS(中國台灣) | SCM440 |
JIS(日本) | SCM440, SCM440H |
KS(韓國) | SCM440 |
ASTM/AISI(美國) | 4140, G41400 |
ISO(國際标準組織) | 42CrMo4 |
DIN/DIN EN(德國) | 42CrMo4/1.7225 |
NF/NF EN(法國) | 42CD4 |
EN(歐标) | 42CrMo4/1.7225 |
SS(瑞典) | 2244 |
BS/BS EN(英國) | 708M40 |
接近匹配牌号：是對近似牌号對照的補充，有條件的擴大了材料替代範圍，使用這些數據資料時應根據實際情況進行甄别或咨詢材料工程師。
标準 | 牌号 (等級/别名/符号) |
ASME SA-29/SA-29M-2023 | G41400, 4140 |
ASTM A29/A29M-2020 | G41400, 4140 |
ASTM A322-2013(R2018) | G41400, 4140 |
EN 10083-3-2006 | 42CrMo4, 1.7225 |
EN 10083-3-2006 | 42CrMoS4, 1.7227 |
GB/T 3077-2015 | 42CrMo, A30422 |
GB/T 3078-2019 | 42CrMo |
ISO 683-1-1987 | 42CrMo4, 42CrMo4H, 42CrMo4HH, 42CrMo4HL |
ISO 683-1-1987 | 42CrMoS4, 42CrMoS4H, 42CrMoS4HH, 42CrMoS4HL |
JIS G 4053-2016 | SCM440 |
SAE J404-2000 | G41400, 4140 |
七、4140鋼收錄的标準
标準代号 | 标準名稱 |
ASTM A29/A29M | 熱鍛碳素鋼和合金鋼棒材一般要求 |
ASTM A320 | 低溫用合金和不鏽鋼栓接結構材料标準 |
SAE J404 | 合金鋼化學成分 |
ASTM A866 | 中碳耐磨軸承鋼 |
ASTM A646/A646M | 飛機和航空航天鍛件用優質合金鋼坯料和鋼坯 |
ASME SA-29-SA-29M | 熱加工碳素鋼和合金鋼棒材通用要求 |
ASTM A513/A513M | 機械用電阻焊碳鋼和合金鋼管 |
ASTM A519/A519 | 機械用無縫碳鋼管、合金鋼管 |
八、4140鋼的實用技巧
關鍵工藝規範
機械加工：采用鋒利刀具與專用切削液可最大限度降低工具磨損，獲得光潔表面。需注意材料狀态差異：退火态與淬火态需采用不同加工參數。
焊接作業：焊前預熱（根據厚度選400-700°F）是防止裂紋的關鍵措施。重要構件建議進行焊後熱處理以消除殘餘應力。
熱處理：适用于多種熱處理工藝。淬火時通常加熱至1500-1600°F後油淬或水淬，具體參數需嚴格遵循工藝規範。
性能保障措施
表面防護：可通過氮化、鍍鉻等表面處理技術增強耐腐蝕性與耐磨性。
定期檢測：對關鍵部件實施定期檢查，及時發現磨損、疲勞或腐蝕迹象并采取維護措施。
環境适配：在鹽水、酸性等嚴苛環境中使用時，應配置相應防護措施或選用特種處理型号。
4140鋼FAQ
氮化處理：在表面形成高硬度氮化層，顯著提升耐磨性與疲勞強度，并增強耐腐蝕能力。
碳氮共滲：通過表面增碳在保持韌性強芯部的同時獲得高硬度表層，特别适用于齒輪等要求"外硬内韌"的部件。
耐腐蝕性：雖因鉻元素具備一定防鏽能力，但仍不及不鏽鋼系列。腐蝕環境中需配合防護塗層使用。
硬化深度：雖具良好淬透性，但大截面零件需采用強烈淬火介質确保硬化均勻性。