title: Early stages of liquid-metal embrittlement in a 3rd generation advanced high strength steel
Creators: name: Ikeda, Yuki
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: liquid-metal embrittlement
subject: transmission electron microscopy
subject: 4D-STEM
subject: advanced high-strength steel
subject: phase-field modeling

description: Continuous effort and study of a liquid-metal embrittlement (LME) of a 3rd generation advanced high-strength steel (3rd Gen. AHSS) during resistivity spot welding (RSW) is of great technological and scientific importance. However, there are diverse reports and lack of knowledge in evolution of microstructures during the progress of the LME. This work basically designed to address this missing gap by observations of uncracked microstructure by conventional electron microscopy and state-of-the-art 4D-STEM in concert with CALPHAD-integrated Density-based Phase Field Modeling (DPFM). The observations of fully welded sample suggests that the Fe-Zn compounds could form prior to LME crack propagation, which follows an interface between different phases. Following observations of interrupted welding samples and Finite Element Method (FEM) suggest Fe-Zn compound formation at the early beginning of the welding at temperature below the so-called ductility trough. CALPHAD-integrated DPFM implies grain boundary (GB) spinodal at low temperature in Fe-Zn binary system, which is further enhanced under the presence of atomic density fluctuations inside a GB. The compatibility of the findings is discussed in a comprehensive manner, followed by an establishment of a new LME mechanism that incorporates Fe-Zn compound formation in a GB. In this model, high-angle grain boundaries (HAGBs) are not only preferential path for LME crack propagation but also preferential sites for the occurrence of GB spinodal and the subsequent Fe-Zn compound formation. In the end, a gradient-design and an alloying strategy are proposed to mitigate the LME in this system.
description: Die Untersuchung der Flüssigmetallversprödung (liquid-metal embrittlement: LME) hochfester Stähle der 3. Generation (3rd Gen. AHSS) während des Widerstandspunktschweißens (resistivity spot welding: RSW) ist von großer technologischer und wissenschaftlicher Wichtigkeit. Derzeit gibt es auf diesem Gebiet zwar eine Vielzahl verschiedener Berichte, aber dennoch einen Kenntnismangel in Bezug auf die detaillierte Entwicklung der Mikrostruktur während der Flüssigmetallversprödung. Diese Lücke soll durch die hier vorgelegte Doktorarbeit in Form von experimentellen Untersuchungen der vor der Rissbildung vorliegenden Mikrostruktur mittels konventioneller Elektronenmikroskopie und hochmoderner 4D-STEM-Technik im Zusammenspiel mit CALPHAD-integrierter dichtebasierter Phasenfeldmodellierung (density-based phase field modeling: DPFM) adressiert werden. Durch die Beobachtungen an vollständig geschweißten Proben zeichnet sich ab, dass der durch die Flüssigmetallversprödung beeinflussten Rissausbreitung eine Fe-Zn-Phasenbildung vorangeht. Die Rissausbreitung erfolgt dann entlang der Grenzflächen zwischen verschiedenen Phasen. Messungen an Proben unterschiedlichen Schweißfortschritts ebenso wie die Finite-Elemente-Methode (finite element method: FEM) implizieren, dass die Fe-Zn-Phasenbildung bereits zu Beginn des Schweißprozesses bei Temperaturen unterhalb des sogenannten „Ductility trough“ ausgelöst werden können. Die CALPHAD-integrierte DPFM zeigt eine spinodale Entmischung an Korngrenzen (grain boundary: GB) auf, die durch Dichtefluktuationen auf atomarer Skala innerhalb der Korngrenzen intensiviert wird. Nach eingehender Diskussion der Ergebnisse wird ein neuer Interpretationsansatz zur Flüssigmetallversprödung vorgestellt, der die Fe-Zn-Phasenbildung innerhalb der Korngrenzen integriert. In diesem Modell spielen Großwinkelkorngrenzen (high-angle grain boundaries: HAGBs) eine wichtige Rolle, da sie nicht nur als bevorzugte Pfade der durch die Flüssigmetallversprödung eingeleiteten und voranschreitenden Risse fungieren, sondern auch als bevorzugte Regionen für die spinodale Entmischung an Korngrenzen in Erscheinung treten. Abschließend werden ein Gradientendesign und eine Legierungsstrategie vorgeschlagen, um den Effekt der Flüssigmetallversprödung zu mildern.