Ever more stringent regulations on greenhouse gas emissions from transportation motivate efforts to revisit materials used for vehicles1. High-strength aluminium alloys often used in aircrafts could help reduce the weight of automobiles, but are susceptible to environmental degradation2,3. Hydrogen 'embrittlement' is often indicated as the main culprit4; however, the exact mechanisms underpinning failure are not precisely known: atomic-scale analysis of H inside an alloy remains a challenge, and this prevents deploying alloy design strategies to enhance the durability of the materials. Here we performed near-atomic-scale analysis of H trapped in second-phase particles and at grain boundaries in a high-strength 7xxx Al alloy. We used these observations to guide atomistic ab initio calculations, which show that the co-segregation of alloying elements and H favours grain boundary decohesion, and the strong partitioning of H into the second-phase particles removes solute H from the matrix, hence preventing H embrittlement. Our insights further advance the mechanistic understanding of H-assisted embrittlement in Al alloys, emphasizing the role of H traps in minimizing cracking and guiding new alloy design.

As deformation twins have a profound impact on the plastic flow and mechanical properties of metallic materials, enhancing deformation twinning in face-centered cubic (FCC) metallic materials has long served as a unique microstructure design strategy to attain an extraordinary strength-ductility synergy. Deformation twinning, however, rarely occurs in pure FCC Al and its alloys since its generalized planar fault energies (GPFEs) are almost unaffected by most soluble alloying elements such as Mg, Zn and Cu. Here we successfully tune the GPFEs of a nanocrystalline Al-Mg alloy by alloying with Zr, Fe or Y element, and enable deformation twinning in the Zr-, Fe- and Y-containing alloys. Based on a combined analysis of microscopic observations, modeling and ab initio calculations, we find a strong grain-size-dependent twinning (i.e., twinning occurs in preferable grains having sizes in the range ∼20-40 nm), as well as only one single twinning plane (i.e., twinning occurs in single, parallel atomic planes) for twin formation rather than intersecting twinning planes (i.e., twinning occurs in multiple, unparallel atomic planes) usually observed in coarse-grained FCC materials. This interesting twinning behavior is further observed to be accompanied by grain rotations, producing defective twin boundaries. Our experimental results extend the current understanding of the plastic deformation mechanisms in nanograined metallic materials, and will guide microstructure design of twinnable nanograined Al alloys with an improved strength-ductility synergy.

Precipitates are crucial for crafting mechanically strong metallic materials. In this work, we report the dislocation cutting of B2 (ordered body-centered cubic) nanoprecipitates, typically considered nonshearable intermetallics, in a lightweight compositionally complex steel during cryogenic tensile loading. Shearing is enabled by the high strength level for dislocation glide within the austenitic matrix, attributed to the substantial strengthening from subnanoscale local chemical ordering zones and the pronounced solid solution strengthening from the multiprincipal elements in the matrix. This mechanism not only harnesses the intense strengthening and strain hardening provided by otherwise impenetrable brittle nanoprecipitates but also introduces ductility through their sequential shearing with ongoing deformation. Our steel thus showcases ultrahigh cryogenic tensile strength up to 2 gigapascal at a remarkable tensile elongation of 34%. This study reveals a new strategy for designing high-performance structural materials.