Após a adoção do fuzil M16, variantes de carabina também foram adotadas para operações de curta distância, a primeira das quais foi a família de armas AR-15, usada durante a Guerra do Vietnã. No entanto, esses rifles tiveram problemas de design, pois o comprimento do cano foi reduzido pela metade para 10 polegadas (25 cm), o que prejudicou a balística, reduzindo seu alcance e precisão e levando a consideráveis flashes e explosões no cano, o que significa que um grande supressor de flash teve que ser instalado. Em 1982, o governo americano solicitou à Colt que fizesse uma versão carabina do M16A2. Mais tarde naquele ano, o Comando de Munições de Armamento do US Army ajudou a empresa a desenvolver a nova variante, denominada XM4 dando o nome como o sucessor do M3. Este primeiro modelo usava o mesmo receptor superior e inferior do M16A1, mas disparava o cartucho M855 em vez dos cartuchos Remington .223 do M16. Em junho de 1985, o Picatinny Arsenal recebeu um contrato para produzir 40 protótipos do XM4, em um programa conjunto entre o US Army e o US Marine Corps, mas no ano seguinte o Exército retirou seu financiamento. O XM4 foi concluído em 1987 e os Marines adquiriram 890 unidades para aquele ano fiscal, com a designação "carabina, 5,56 mm, M4". Devido à experiência da Guerra do Golfo de 1991, o Exército deu à Colt seus primeiros contratos de produção para carabinas M4 em maio e julho de 1993, e carabinas M4A1 para operadores SOCOM (US Special Operations Command) em fevereiro de 1994. O interesse pelo rifle M4 foi acelerado após a Batalha de Mogadíscio (1993), na qual os Rangers reclamaram que seus rifles M16 eram "desajeitados" para combate urbano, enquanto os membros da Força Delta na mesma batalha, equipados com o AR-15, não tiveram tais reclamações. O M4 viu a ação pela primeira vez nas mãos de tropas dos EUA enviadas para Kosovo em 1999 em apoio à força de manutenção da paz KFOR liderada pela OTAN. Posteriormente, seria usado pesadamente pelas forças americanas durante a Guerra Global ao Terrorismo, inclusive na Operação Enduring Freedom e na Operação Iraqi Freedom. No Exército, o M4 substituiu amplamente os M16A2 como arma pessoal padrão e também substituiu a maioria das metralhadoras e pistolas selecionadas no serviço militar, pois dispara munição de rifle mais eficaz, com maior poder de parada e capaz de penetrar os coletes modernos. Em 2007, o USMC ordenou que seus oficiais (até o posto de tenente-coronel) e suboficiais carregassem a carabina M4 em vez da pistola M9. Enquanto os fuzileiros comuns estavam armados com M16A4, os M4s foram colocados em posições por tropas em posições onde um rifle de comprimento total seria muito volumoso, incluindo operadores de veículos, esquadrões e líderes de esquadrão. A partir de 2013, o Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA tinha 80.000 carabinas M4 em seu inventário.

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O M4 e suas variantes disparam munição 5.56×45mm OTAN (.223 Remington) e são armas de fogo seletivas operadas a gás, alimentadas por carregador, com um coronha telescópica de várias posições. A primeira coronha montada no M4 em 1985 era feita inteiramente de plástico, que tinha apenas duas posições, totalmente fechada ou totalmente estendida. Modelos posteriores têm maior ajustabilidade e são comumente conhecidos como "coronha de seis posições". O M4 é uma variante mais curta e mais leve do fuzil M16A2, com 80% de partes em comum. A portabilidade do M4 o torna útil para tropas não de infantaria (tripulação de veículos, funcionários e oficiais de estado-maior), bem como para batalhas a curta distância. O M4, juntamente com o M16A4, substituiu principalmente o M16A2 no Exército e na Marinha. A Força Aérea, por exemplo, fez a transição completa para o M4 para esquadrões das Forças de Segurança. A Marinha usa o M4A1 para Operações Especiais e tripulações de veículos. No entanto, o cano mais curto do M4 reduz seu alcance, com suas miras traseiras de aço integradas na alça de transporte (removível) ajustável apenas de 300 m até 600 m, em comparação com as miras do M16A2 integradas na alça de transporte fixa, que pode atingir até 800 m. O M4A1 é uma variante totalmente automática da carabina M4 básica destinada ao uso em operações especiais, tendo entrado em serviço em 1994 e foi o primeiro modelo com alça de transporte removível. Possui um seletor de disparo "S-1-F" (seguro/semi-automático/totalmente automático), enquanto o M4 possui um grupo de disparo "S-1-3" (seguro/semi-automático/rajadas de 3 projéteis). O M4A1 é usado por quase todas as unidades de operações especiais dos EUA, incluindo Marine Force Recon, US Army Rangers, US Army Special Forces, Navy SEAL, Air Force Pararescue e Air Force Combat Control Teams. Tem um alcance efetivo máximo de 300 a 400 metros. O gatilho totalmente automático proporciona um acionamento mais consistente, o que leva a uma melhor precisão. O M4A1 usa um cano mais pesado que o M4 padrão, pois o cano regular, que pode disparar 6.000 tiros antes de exigir uma substituição, não foi suficiente para o maior consumo de munição pelos operadores do SOCOM. O cano redesenhado tem um diâmetro aumentado na área entre o receptor e a mira frontal. É alimentado por um carregador de 30 projéteis, mas outros tipos de carregadores com diferentes capacidades também estão disponíveis, como o Beta C-Mag de 100 projéteis. Como todas as variantes do M16, o M4 e o M4A1 podem ser equipados com muitos acessórios, como dispositivos de visão noturna, supressores de flash, miras a laser, miras telescópicas, bipés, o lançador de granadas M203 ou M320, apoio de mão dianteiro, uma alça de transporte removível e qualquer outra coisa compatível com um trilho Picatinny MIL-STD-1913. Desde sua adoção em 1994, o M4 passou por mais de 90 modificações para melhorar a ergonomia e modularidade da arma, incluindo: o M4A1, que fortaleceu o cano e removeu a opção de disparo rápido; o SOPMOD, um kit contendo acessórios ópticos; e o lançador de granadas M203. O M4 é amplamente utilizado pelas Forças Armadas dos Estados Unidos e foi adotada por mais de 60 países em todo o mundo, tendo sido descrita como "uma das armas de fogo que definem o Século XXI".