Many traditional approaches for strengthening steels typically come at the expense of useful ductility, a dilemma known as strength–ductility trade-off. New metallurgical processing might offer the possibility of overcoming this. Here we report that austenitic 316L stainless steels additively manufactured via a laser powder-bed-fusion technique exhibit a combination of yield strength and tensile ductility that surpasses that of conventional 316L steels. High strength is attributed to solidification-enabled cellular structures, low-angle grain boundaries, and dislocations formed during manufacturing, while high uniform elongation correlates to a steady and progressive work-hardening mechanism regulated by a hierarchically heterogeneous microstructure, with length scales spanning nearly six orders of magnitude. In addition, solute segregation along cellular walls and low-angle grain boundaries can enhance dislocation pinning and promote twinning. This work demonstrates the potential of additive manufacturing to create alloys with unique microstructures and high performance for structural applications. 3D-printed steels with hierarchically heterogeneous microstructures demonstrate high strength and ductility.

Bulk graphene (reduced graphene oxide)-reinforced Al matrix composites with a bioinspired nanolaminated microstructure were fabricated via a composite powder assembly approach. Compared with the unreinforced Al matrix, these composites were shown to possess significantly improved stiffness and tensile strength, and a similar or even slightly higher total elongation. These observations were interpreted by the facilitated load transfer between graphene and the Al matrix, and the extrinsic toughening effect as a result of the nanolaminated microstructure.

The origin of dense dislocations in many additively manufactured metals remains a mystery. We here employed pure Cu as a prototype and fabricated the very challenging high-purity (>99.9%) bulk Cu by laser powder-bed-fusion (L-PBF) technique. We found that high-density dislocations were present in the as-built samples and these high-density dislocations were introduced on the fly during the L-PBF process. A newly developed multi-physics modeling was further employed to interpret the origin of these pre-existing dislocations, demonstrating that the compression-tension cycles rendered by the localized heating/cooling heterogeneity upon laser scanning are responsible for the residual high-density dislocations.

The ultrafine cellular structure promotes the extraordinary mechanical performance of metals manufactured by laser powder-bed-fusion (L-PBF). An in-depth understanding of the mechanisms governing the thermal stability of such structures is crucial for designing reliable L-PBF components for high-temperature applications. Here, characterizations and 3D discrete dislocation dynamics simulations are performed to comprehensively understand the evolution of cellular structures in 316L stainless steel during annealing. The dominance of screw-type dislocation dipoles in the dislocation cells is reported. However, the majority of dislocations in sub-grain boundaries (SGBs) are geometrically necessary dislocations (GNDs) with varying types. The disparity in dislocation types can be attributed to the variation in local stacking fault energy (SFE) arising from chemical heterogeneity. The presence of screw-type dislocations facilitates the unpinning of dislocations from dislocation cells/SGBs, resulting in a high dislocation mobility. In contrast, the migration of SGBs with dominating edge-type GNDs requires collaborative motion of dislocations, leading to a sluggish migration rate and an enhanced thermal stability. This work emphasizes the significant role of dislocation type in the thermal stability of cellular structures. Furthermore, it sheds light on how to locally tune dislocation structures with desired dislocation types by adjusting local chemistry-dependent SFE and heat treatment.