Oxygen, one of the most abundant elements on Earth, often formsan undesired interstitial impurity or ceramic phase (such as an oxideparticle) in metallic materials. Even when it adds strength, oxygendoping renders metals brittle1–3. Here we show that oxygen can takethe form of ordered oxygen complexes, a state in between oxideparticles and frequently occurring random interstitials. Unliketraditional interstitial strengthening4,5, such ordered interstitialcomplexes lead to unprecedented enhancement in both strength andductility in compositionally complex solid solutions, the so-calledhigh-entropy alloys (HEAs)6–10. The tensile strength is enhanced(by 48.5 ± 1.8 per cent) and ductility is substantially improved(by 95.2 ± 8.1 per cent) when doping a model TiZrHfNb HEAwith 2.0 atomic per cent oxygen, thus breaking the long-standingstrength–ductility trade-off11. The oxygen complexes are orderednanoscale regions within the HEA characterized by (O, Zr, Ti)-richatomic complexes whose formation is promoted by the existence ofchemical short-range ordering among some of the substitutionalmatrix elements in the HEAs. Carbon has been reported to improvestrength and ductility simultaneously in face-centred cubic HEAs12,by lowering the stacking fault energy and increasing the latticefriction stress. By contrast, the ordered interstitial complexesdescribed here change the dislocation shear mode from planar slipto wavy slip, and promote double cross-slip and thus dislocationmultiplication through the formation of Frank–Read sources (amechanism explaining the generation of multiple dislocations)during deformation. This ordered interstitial complex-mediatedstrain-hardening mechanism should be particularly useful inTi-, Zr- and Hf-containing alloys, in which interstitial elementsare highly undesirable owing to their embrittlement effects, andin alloys where tuning the

A non weldable nickel-based superalloy was fabricated by powder bed-based selective electron beam melting (S-EBM). The as-built samples exhibit a heterogeneous microstructure along the build direction. A gradient of columnar grain size as well as a significant gradient in the γ′ precipitate size were found along the build direction. Microstructural defects such as gas porosity inherited from the powders, shrinkage pores and cracks inherited from the S-EBM process were identified. The origins of those defects are discussed with a particular emphasis on crack formation. Cracks were consistently found to propagate intergranular and the effect of crystallographic misorientation on the cracking behavior was investigated. A clear correlation was identified between cracks and high angle grain boundaries (HAGB). The cracks were classified as hot cracks based on the observation of the fracture surface of micro-tensile specimens machined from as-built S-EBM samples. The conditions required to trigger hot cracking, namely, presence of a liquid film during the last stage of solidification and thermal stresses are discussed within the framework of additive manufacturing. Understanding the cracking mechanism enables to provide guidelines to obtain crack-free specimens of non-weldable Ni-based superalloys produced by S-EBM.

Severe lattice distortion is a core effect in the design of multiprincipal element alloys with the aim to enhance yield strength, a key indicator in structural engineering. Yet, the yield strength values of medium- and high-entropy alloys investigated so far do not substantially exceed those of conventional alloys owing to the insufficient utilization of lattice distortion. Here it is shown that a simple VCoNi equiatomic medium-entropy alloy exhibits a near 1 GPa yield strength and good ductility, outperforming conventional solid-solution alloys. It is demonstrated that a wide fluctuation of the atomic bond distances in such alloys, i.e., severe lattice distortion, improves both yield stress and its sensitivity to grain size. In addition, the dislocation-mediated plasticity effectively enhances the strength-ductility relationship by generating nanosized dislocation substructures due to massive pinning. The results demonstrate that severe lattice distortion is a key property for identifying extra-strong materials for structural engineering applications.

High-entropy alloys (HEAs) consisting of multiple principle elements provide an avenue for realizing exceptional mechanical, physical and chemical properties. We report a novel strategy for designing a new class of HEAs incorporating the additional interstitial element carbon. This results in joint activation of twinning- and transformation-induced plasticity (TWIP and TRIP) by tuning the matrix phase's instability in a metastable TRIP-assisted dual-phase HEA. Besides TWIP and TRIP, such alloys benefit from massive substitutional and interstitial solid solution strengthening as well as from the composite effect associated with its dual-phase structure. Nanosize particle formation and grain size reduction are also utilized. The new interstitial TWIP-TRIP-HEA thus unifies all metallic strengthening mechanisms in one material, leading to twice the tensile strength compared to a single-phase HEA with similar composition, yet, at identical ductility.

A tomographic atom probe (TAP) in which the atoms are field evaporated by means of femtosecond laser pulses has been designed. It is shown that the field evaporation is assisted by the laser field enhanced by the subwavelength dimensions of the specimen without any significant heating of the specimen. In addition, as compared with the conventional TAP, due to the very short duration of laser pulses, no spread in the energy of emitted ions is observed, leading to a very high mass resolution in a straight TAP in a wide angle configuration. At last, laser pulses can be used to bring the intense electric field required for the field evaporation on poor conductive materials such as intrinsic Si at low temperature. In this article, the performance of the laser TAP is described and illustrated through the investigation of metals, oxides, and silicon materials.

There are several facets of aluminum when it comes to sustainability. While it helps to save fuel due to its low density, producing it from ores is very energy-intensive. Recycling it shifts the balance towards higher sustainability, because the energy needed to melt aluminum from scrap is only about 5% of that consumed in ore reduction. The amount of aluminum available for recycling is estimated to double by 2050. This offers an opportunity to bring the metallurgical sector closer to a circular economy. A challenge is that large amounts of scrap are post-consumer scrap, containing high levels of elemental contamination. This has to be taken into account in more sustainable alloy design strategies. A “green aluminum” trend has already triggered a new trading platform for low-carbon aluminum at the London Metal Exchange (2020). The trend may lead to limits on the use of less-sustainable materials in future products. The shift from primary synthesis (ore reduction) to secondary synthesis (scrap melting) requires to gain better understanding of how multiple scrap-related contaminant elements act on aluminum alloys and how future alloys can be designed upfront to become scrap-compatible and composition-tolerant. The paper therefore discusses the influence of scrap-related impurities on the thermodynamics and kinetics of precipitation reactions and their mechanical and electrochemical effects; impurity effects on precipitation-free zones around grain boundaries; their effects on casting microstructures; and the possibilities presented by adjusting processing parameters and the associated mechanical, functional and chemical properties. The objective is to foster the design and production of aluminum alloys with the highest possible scrap fractions, using even low-quality scrap and scrap types which match only a few target alloys when recycled.