420 so với thép không gỉ 304: Cơ chế ăn mòn & các dạng hư hỏng trong môi trường biển

Khi thép ổ trục truyền thống (chẳng hạn như thép chrome tiêu chuẩn hoặc thép 52100) bị đặt trong môi trường biển giàu clorua, nó sẽ xuống cấp rất nhanh. Các kỹ sư tất yếu phải chuyển sang thép không gỉ. Tuy nhiên, sự khác biệt cơ bản về khả năng chống ăn mòn giữa thép không gỉ 420 mactenxit và 304 austenit là một cuộc giằng co phức tạp. Đó là cuộc chiến giữa độ nhạy ứng suất thấp của mạng tinh thể Lập phương tâm khối (BCC) và độ dai va đập được tạo ra bởi hàm lượng niken cao của mạng tinh thể Lập phương tâm mặt (FCC). Các dạng hư hỏng tương ứng của chúng đi theo hai hướng hoàn toàn khác nhau: 420 thường bị bong tróc nhanh do rỗ cục bộ, trong khi 304 đối mặt với gãy vỡ thảm khốc do Nứt ăn mòn ứng suất (SCC).

I. Cấu trúc mạng tinh thể và độ ổn định của màng thụ động

Cơ chế chống ăn mòn của hai loại thép này bắt nguồn từ cấu trúc tinh thể và cách các nguyên tố hợp kim điều chỉnh màng thụ động.

• Thép không gỉ 420 (Nền mactenxit/ferrit):
  Đặc tính mạng tinh thể: Thép không gỉ 420 có cấu trúc mạng BCC. Trong môi trường nước có chứa clorua, cấu trúc này cho thấy độ nhạy cực thấp với Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) do clorua gây ra. Thực tế, trong điều kiện không có ứng suất, SCC gần như không bao giờ xảy ra.
  Hành vi của màng thụ động: Khả năng chống ăn mòn của nó chủ yếu dựa vào màng thụ động oxit crom. Vì chứa rất ít hoặc hầu như không có niken, khả năng tự phục hồi của màng trong môi trường clorua tương đối yếu. Tuy nhiên, khi không có ứng suất kéo, khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở của nó thường vượt qua các loại thép austenit cơ bản.
  Nguy cơ hư hỏng: Rủi ro chính là khi clorua phá vỡ màng thụ động tại một khuyết tật cục bộ (như tạp chất), một tế bào kín hình thành. Vết rỗ nhanh chóng ăn sâu vào vật liệu, gây thủng hoặc bong tróc bề mặt.
• Thép không gỉ 304 (Nền austenit):
  Đặc tính mạng tinh thể: 304 có cấu trúc austenit FCC điển hình. Việc bổ sung niken không chỉ ổn định pha này mà còn nhìn chung cải thiện độ dai cơ học.
  Hành vi của màng thụ động: 304 dựa vào một lớp màng giàu crom, nhưng lớp màng này rất nhạy với clorua. Clorua dễ dàng hấp phụ lên và xuyên qua màng, phá hủy tính toàn vẹn của nó và gây ăn mòn cục bộ.
  Nguy cơ hư hỏng: Dưới tác động kết hợp của nồng độ clorua cao trong môi trường biển và ứng suất kéo (ví dụ: tải làm việc hoặc ứng suất dư khi hàn), 304 rất dễ bị SCC. Đây là dạng hư hỏng ẩn, lan truyền nhanh, thường dẫn đến gãy vỡ đột ngột và thảm khốc.

II. Khác biệt cốt lõi trong các dạng hư hỏng

Trong môi trường kỹ thuật hàng hải khắc nghiệt, các con đường hư hỏng của hai loại thép này thể hiện những đặc tính hóa - lý hoàn toàn khác nhau, quyết định trực tiếp việc lựa chọn vật liệu.

III. Tác động điều chỉnh của các nguyên tố hợp kim

Thiết kế hợp kim quyết định trực tiếp khả năng của màng thụ động trong việc chống xuyên phá bởi clorua và ngăn lan truyền vết nứt.

• Vai trò then chốt của niken (Ni): Hàm lượng niken cao trong 304 (khoảng 8-10%) ổn định pha austenit và cản trở sự lan truyền vết nứt tại biên hạt. Vì 420 là thép mactenxit hàm lượng carbon thấp với hầu như không có niken, nó thiếu cơ chế chống nứt cụ thể này. Thay vào đó, khả năng chống SCC của nó đơn giản đến từ tính miễn nhiễm vốn có của mạng BCC đối với ứng suất do clorua.
• Việc không có molypden (Mo): Cả 304 lẫn 420 đều không chứa molypden (khác với thép không gỉ 316). Do đó, cả hai đều gặp khó khăn đáng kể trong môi trường hàm lượng clorua cao. Mặc dù 420 có thể cho thấy độ ổn định chống rỗ tốt hơn 304 trong một số điều kiện không có ứng suất cụ thể, nhưng cả hai đều đối mặt với thách thức nghiêm trọng trong các ứng dụng nước biển nặng.