Comparative Analysis of the Effects of Microstructures Formed After Hardening Heat Treatment on the Mechanical Properties of AISI 4140 and AISI 4340 Grade Steels

Öz

This study presents an experimental investigation into the mechanical and microstructural properties of AISI 4140 and AISI 4340 medium-carbon alloy steels following hardening heat treatment. The specimens were austenitized at 870 °C, quenched in water, and subsequently tempered at 550 °C. Mechanical performance was evaluated through tensile tests and Vickers hardness measurements, while microstructural evolution was analyzed via optical microscopy. The results showed that heat treatment significantly enhanced the mechanical properties of both steels. Following quenching, hardness values increased from 231.24 HV to 520.00 HV for AISI 4140 and from 283.20 HV to 610.00 HV for AISI 4340. After tempering, the hardness settled at 338.44 HV and 331.56 HV, while ultimate tensile strengths reached 1096.80 MPa and 1099.20 MPa for AISI 4140 and AISI 4340, respectively. Microstructural observations confirmed that mechanical improvements were primarily driven by martensitic transformation and grain refinement. Notably, nickel-bearing AISI 4340 steel exhibited higher quench hardness and superior ductility (14% elongation) owing to its finer, more homogeneous martensitic matrix compared to AISI 4140 (11% elongation). Overall, the findings demonstrate that controlled quenching and tempering optimize the mechanical performance of both steels, providing critical insights for material selection and cost-performance trade-offs in automotive applications. 

Anahtar Kelimeler

• AISI 4140/4340
• Heat Treatment
• Microstructure
• Tensile Strength

AISI 4140 ve AISI 4340 Kalite Çeliklerde Sertleştirme Isıl İşlemi Sonrası Oluşan Mikroyapıların Mekanik Özelliklere Etkisinin Karşılaştırmalı Analizi

Öz

Bu çalışma, otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılan orta karbonlu AISI 4140 ve AISI 4340 kalite alaşımlı çeliklerin sertleştirme ısıl işlemi sonrası mekanik ve mikroyapısal özelliklerinin deneysel olarak incelenmesini sunmaktadır. Numuneler 870 °C'de östenitlenmiş, su verilmiş ve ardından 550 °C'de temperlenmiştir. Mekanik performans çekme testleri ve Vickers sertlik ölçümleri ile değerlendirilirken, mikroyapısal evrim optik mikroskopi ile analiz edilmiştir. Sonuçlar, uygulanan ısıl işlemin her iki çeliğin mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirdiğini göstermiştir. Su verme işlemi sonrasında sertlik değerleri AISI 4140 için 231,24 HV'den 520,00 HV'ye, AISI 4340 için ise 283,20 HV'den 610,00 HV'ye yükselmiştir. Temperleme sonrasında sertlik değerleri sırasıyla 338,44 HV ve 331,56 HV seviyelerine gerilerken; nihai çekme dayanımları AISI 4140 için 1096,80 MPa ve AISI 4340 için 1099,20 MPa değerlerine ulaşmıştır. Mikroyapısal incelemeler, mekanik özelliklerdeki iyileşmelerin temel olarak martenzitik dönüşüm ve tane incelmesinden kaynaklandığını doğrulamıştır. Özellikle nikel içeren AISI 4340 çeliği, AISI 4140'a (%11 uzama) kıyasla daha ince ve homojen martenzit matrisi sayesinde daha yüksek su verme sertliği ve daha üstün bir süneklik (%14 uzama) sergilemiştir. Genel olarak bulgular, kontrollü su verme ve temperleme işlemlerinin her iki çeliğin mekanik performansını optimize ettiğini, otomotiv uygulamalarında malzeme seçimi ve maliyet-performans dengesi açısından kritik bilgiler sağladığını ortaya koymaktadır. 

Anahtar Kelimeler

• AISI 4140/4340
• Isıl İşlem
• Mikroyapı
• Çekme Dayanımı

Kaynakça

1. [1] W. D. Callister and D. G. Rethwisch, Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed. New York, NY, USA: Wiley, 2018.
2. [2] ASM International. ASM Handbook: Volume 1 - Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. ASM Int.; 1990.
3. [3] Totten GE. Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies. Boca Raton, FL, USA: CRC Press; 2006. https://doi.org/10.1201/NOF0849384523
4. [4] Bilal MM, Yaqoob K, Zahid MH, Haq EU, Tanveer WH, Wa-dood A, et al. Effect of austempering conditions on the micro-structure and mechanical properties of AISI 4340 and AISI 4140 steels. J Mater Res Technol. 2019;8(6):5194–5200. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.042
5. [5] Çığır Tİ, Eser AA, Göğer F, Acarer M. Comparison of surface hardening processes applied to AISI 5140 steel with side load test. Int J Automot Sci Technol. 2019;8(1):87–95. https://doi.org/10.30939/ijastech..1370591
6. [6] Lee WS, Su TT. Mechanical properties and microstructural features of AISI 4340 high-strength alloy steel under quenched and tempered conditions. J Mater Process Technol. 1999;87(1-3):198-206. https://doi:10.1016/S0924-0136(98)00351-3
7. [7] Aguilar F, Huynh T, Kljestan N, Knezevic M, Sohn Y. Micro-structure and mechanical characterization of AISI 4340 steel additively manufactured by laser powder bed fusion. Metals. 2025;15(4):412. https://doi.org/10.3390/met15040412
8. [8] Khan WA, Hayat Q, Ahmed F, Ali M, Zain-ul-Abdein M. Comparative assessment of mechanical properties and fatigue life of conventional and multistep rolled forged connecting rods of high strength AISI/SAE 4140 steel. Metals. 2023;13(6):1035. https://doi.org/10.3390/met13061035

9. [9] A New Step Heat Treatment for Steel AISI 4340. Metall Sci Heat Treat. 2014;56(1–2):78–81. https://doi.org/10.1007/s11041-014-9707-z
10. [10] Matusin M, Wiemer A, Neumann P. Erosion behavior of AISI 4140 steel subjected to different heat treatments. Wear. 1993;162(1-2):119-122. https://doi.org/10.1016/0921-5093(93)90488-Z
11. [11] Raut L, Shah N, Koli D, Patel N. Development of optimized mechanical properties of AISI 4340 steel. Mater Manuf Pro-cess. 2023;38(9):1004–14. https://doi.org/10.1080/10426914.2023.2216142
12. [12] Saraç E, Özbek NA. Effect of tempering temperature on me-chanical properties and microstructure of AISI 4140 and AISI 4340 tempered steels. Mater Test. 2022;64(4):325–34. https://doi.org/10.1515/mt-2021-2151
13. [13] Khani Sanij H, Ghasemi AA, Enayati MH. Effect of double quenching on mechanical properties and microstructure of AISI 4140 steel. Mater Des. 2012;40:443–7. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.06.017
14. [14] Saraç E, Özbek NA. AISI 4140 çeliğinde menevişleme sıcaklığının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi. 2019;7(1):13–20. https://doi.org/10.29130/dubited.538237