Il progetto della locomotiva del gruppo 640 affonda le sue radici nell'ottimo progetto precedente del gruppo 600 elaborato dall'Ufficio Studi di Firenze della Rete Adriatica. In seguito alla costituzione delle Ferrovie dello Stato si manifestò infatti l'esigenza di rinnovamento del parco di locomotive destinate alla trazione dei treni viaggiatori veloci. Tra le locomotive ereditate dalle precedenti amministrazioni private erano poche quelle adatte a tale scopo, cioè con ruote grandi e di buone prestazioni; si trattava delle gr.670 ex RA, delle gr.660 ex RM e delle buone ma ormai insufficienti, perché a 2 soli assi motori accoppiati, 552. Le FS esperirono quindi, nel 1906 un ordinativo per la costruzione di 49 gr.630, a vapore saturo e a semplice espansione, il cui progetto era stato elaborato sulla falsariga di quello della gr.600 riprendendone il valido schema meccanico di base. Un ulteriore ordine per 24 unità ebbe una controproposta da parte della fabbrica Schwartzkopff di Berlino per l'applicazione del surriscaldatore Schmidt trasformando la macchina in una a vapore surriscaldato, sempre a semplice espansione e a 2 cilindri interni, ma abbassando la pressione in caldaia a 12 bar (in luogo dei 16 bar della versione a vapore saturo) il che prometteva una consistente economia nell'uso e nella manutenzione. Le consegne iniziate nel 1907 si conclusero nel 1911 raggiungendo la ragguardevole quantità di 169 unità. Tra 1907 e 1909 vennero consegnate 48 locomotive dalla Schwartzkopff. Tra il 1909 e il 1911 vennero costruite e consegnate 103 locomotive dalla Breda di Milano mentre le ultime 18 macchine, da 64.152 a 64.169, vennero costruite a Saronno dalle Costruzioni Meccaniche CEMSA e consegnate nel 1911. Alle macchine era stato previsto di attribuire il numero di gruppo 580 FS tuttavia quando entrarono in servizio le prime 24 unità Schwartzkopff ebbero assegnato il numero di gruppo 640 e i numeri progressivi a 1 a 24 e furono assegnate a Torino e a Venezia, 12 unità per ciascun deposito locomotiveMascherpa, Così nacquero le 640, op. cit., p.29 Le nuove macchine vennero giudicate soddisfacenti dai tecnici delle FS e sotto certi aspetti anche superiori nei servizi veloci con poche fermate e lunga percorrenza. Il successo del gruppo orientò definitivamente la scelta delle FS in favore della semplice espansione e del vapore surriscaldato con pressione di esercizio della caldaia di 12 bar nei successivi progetti di locomotive.
All'inizio degli anni trenta le Ferrovie dello Stato trasformarono quindici locomotive gr. 630 in altrettante gr.640; queste mantennero il proprio numero progressivo di origine aumentato di 300 e costituirono il sottogruppo 640 con numeri saltuari compresi tra 305 e 379. In ragione di tale modifica il quantitativo complessivo di 640 salì a 184 unità. Le loro caratteristiche tuttavia erano differenti sia nella caldaia che nella distribuzione a valvole di tipo Caprotti.
Un'ulteriore aumento del numero di unità si ebbe ancora nel 1951 quando 4 locomotive di tipo similare appartenenti alla Strade Ferrate di Biella vennero incorporate nel parco FS.
Nel 1953 la 640.074 fu oggetto di un esperimento, andato a male, di trasformazione dell'alimentazione da carbone a metano. Dagli anni sessanta iniziarono gli accantonamenti e le demolizioni; iniziarono per prime le ultime aggiunte, serie 300, con la distribuzione Caprotti data la loro maggiore onerosità di manutenzione.
Le 640 sono state assegnate, nel corso degli anni, a vari depositi locomotive dell'Italia centro-settentrionale e centro-meridionale ma non più a sud di Salerno. I depositi che le hanno mantenute fino a tempi recenti sono stati quelli di Novara, Alessandria, Torino, Cremona, Verona, Rimini, Lecco, Foligno, Arona, Mestre (in ordine di quantità al 31 dicembre 1950).
Le locomotive sono la versione a vapore surriscaldato e a semplice espansione del precedente gruppo 630 con cui condividono gran parte delle caratteristiche, tra cui il motore a due cilindri interni, le dimensioni e il tender a tre assi.
La caldaia è dello stesso tipo della locomotiva 625 a 12 bar di pressione e produce lo stesso quantitativo di vapore e sviluppa la stessa potenza di 800 CV, tuttavia in virtù delle ruote motrici di maggiore diametro, 1850 mm contro 1.510 mm raggiunge la velocità di 100 km/h. La produzione oraria di vapore asciutto è quindi pari a 6.500 kg.
Il forno, la griglia e la superfici di riscaldamento e surriscaldamento sono anch'essi uguali a quelle della 625.
I cilindri motori hanno il diametro di 540 mm e la corsa di 700 mm.
La distribuzione del vapore ai cilindri è del tipo a stantuffo con leveraggio di comando sistema Walschaerts. La macchina sviluppa uno sforzo di trazione massimo di 10.000 kg e allo spunto, in condizioni normali di aderenza, pari a 6.290 kg; in marcia a 75 km/h lo sforzo di trazione sviluppabile in continuità è di 2.880 kg .
La massa complessiva in assetto di servizio della locomotiva è di 54,5 t di cui 44 t di peso aderente. Il tender della massa di 35,3 t è in grado di trasportare 15 m3di acqua e 6 t di carbone. La locomotiva è fornita di freno ad aria compressa automatico e moderabile e di riscaldamento a vapore delle carrozze trainate.
Tabella dei dati tecnici delle 640
Anno di costruzione 1907 - 1911
Unità costruite 169
Numeri di servizio 640.001-169
Rodiggio 1'C / 1-3-0
Numero cilindri 2 interni
Distribuzione Walschaerts
Massa in servizio 54.000 Kg
Massa aderente 44.000 Kg
Pressione di lavoro 12 Kg/cm²
Sforzo di trazione 10.000 Kg
Potenza a 75 Km/h CV 800
Diametro ruote motrici 1.850 mm
Velocità massima 100 Km/h
Lunghezza tra i respingenti 16.530 mm
Tender a tre assi pesante in servizio Kg 35.300
Capacità acqua l. 15.000
Capacità carbone Kg 6.000
Freno ad aria compressa automatico e moderabile
Vapore surriscaldato a semplice espansione
