The lattice parameters, formation energies and bulk moduli of (Ti, M)C and M(C, Va) with the B1 crystal structure have been investigated using first-principles calculations, where M = Nb, V, Mo and W. The replacement at 0 K of Ti by Mo or W in the TiC lattice is found to be energetically unfavorable with respect to the formation energy. However, it decreases the misfit strain between the carbide and ferrite matrix, a factor which is of critical importance during the early stages of precipitation, thus favoring the substitution of Ti by Mo, as is observed in practice. The effect of Mo in enhancing the coarsening resistance of (Ti, Mo)C precipitates is discussed in terms of its role in the nucleation process, but followed by a more passive contribution during coarsening itself. The role of tungsten has been predicted to have a similar effect to molybdenum on the nucleation and coarsening process. Analysis of precipitates in Ti-, Ti–Mo- and Ti–W-bearing steels shows results consistent with the calculations.

In this study, we enhance the strength of L12-strengthened high-entropy alloy, proposed in our previous study, by Ta alloying. Continuous precipitation is promoted, resulting in a remarkably high yield strength of 1144.8 ± 19.3 MPa. Furthermore, we suggest a refined strengthening mechanism model, based on the superposition of multiple mechanisms.

Metal additive manufacturing (AM), offering high freedom of design, has garnered attention as a cutting-edge manufacturing technology. Commonly, hot isostatic pressing (HIP), as post-processing, is utilized to remove undesirable defects in AM parts to obtain fully dense components. However, excessive heating during HIP can result in the deterioration of mechanical properties, limiting their potential for structural industry applications. Herein, we propose a new strategy to obtain an optimized gradient structure to achieve a substantial synergistic effect through ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) on the HIP-processed AM substrate. The resulting microstructure shows an extended gradient layer reaching the center of the substrate with significant mechanical incompatibility between adjacent domains, showing an excellent combination of strength and ductility. Our study suggests that the optimized gradient structure with superior mechanical properties can be achieved by strategically exploiting HIP-induced effects, which are generally avoided in structural materials due to their deleterious effect on strength.

Gradient structure can achieve excellent mechanical properties in metallic materials through synergistic effects from heterogeneity. Conventional surface heterostructuring typically develops one single coupling gradient (i.e., hard surface and soft core). In this study, we present a novel approach to attain a dual-gradient structure, characterized by a series of hard surface-soft middle-hard core, through simple laser-scanning on cold-rolled metastable metallic materials. The resultant dual-gradient structure with significant synergistic strengthening improves the yield strength by more than two-fold compared to its annealed counterparts. Notably, the significant improvement in yield strength does not sacrifice ductility due to the unique deformation behavior of the dynamic-spreading phase transformation. The designed dual-gradient structure induces spatial-distinct phase stability along the depth, enabling to spreading phase transformation from the surface to the center during deformation. The inward-propagating phase transformation contributes to sustaining the heterostructure and the transformation-induced plasticity effect over a wide stress range while detouring stress concentration. Our study suggests a promising process design for fabricating a dual-gradient structure that possesses inward-spreading phase transformation to enhance the mechanical properties of heterostructured materials without compromising their ductility.

Abstract Achieving an optimal balance between strength and ductility in advanced engineering materials has long been a challenge for researchers. In the field of material strengthening, most approaches that prevent or impede the motion of dislocations involve ductility reduction. In the present study, we propose a strengthening approach based on spinodal decomposition in which Cu and Al are introduced into a ferrous medium–entropy alloy. The matrix undergoes nanoscale periodic spinodal decomposition via a simple one-step aging procedure. Chemical fluctuations within periodic spinodal decomposed structures induce spinodal hardening, leading to a doubled strengthening effect that surpasses the conventional precipitation strengthening mechanism. Notably, the periodic spinodal decomposed structures effectively overcome strain localization issues, preserving elongation and doubling their mechanical strength. Spinodal decomposition offers high versatility because it can be implemented with minimal elemental addition, making it a promising candidate for enhancing the mechanical properties of various alloy systems.

Despite the technical importance of δ/γ phase transition in steel alloys, conventional thermal analysis techniques like calorimetry lack precise kinetics measurement. This study introduces an integrated approach combining X-ray topographic imaging, diffraction, and precise temperature measurement to overcome these limitations. This methodology allows for the accurate quantification of recalescence due to release of latent heats from solidification and solid-state phase transformation. It also enables tracking of the fractional volume changes of the δ phase during continuous cooling. We demonstrate that in Ultra-Low Carbon steels, the δ to γ transformation occurs rapidly in the single γ phase region far below the solidus temperature in the phase diagram, and this transformation accelerates further in the higher cooling rate. Furthermore, it can be inferred that in phase transformation, its rate becomes a critical factor in the temperature increase resulting from the released latent heat, overshadowing the influence of undercooling during continuous cooling.

Suppressing failure modes and optimizing protocols enable enhanced cyclability and fast chargeability in Co-free, high-Ni layered oxide cathodes.