Abstract Realizing improved strength–ductility synergy in eutectic alloys acting as in situ composite materials remains a challenge in conventional eutectic systems, which is why eutectic high-entropy alloys (EHEAs), a newly-emerging multi-principal-element eutectic category, may offer wider in situ composite possibilities. Here, we use an AlCoCrFeNi 2.1 EHEA to engineer an ultrafine-grained duplex microstructure that deliberately inherits its composite lamellar nature by tailored thermo-mechanical processing to achieve property combinations which are not accessible to previously-reported reinforcement methodologies. The as-prepared samples exhibit hierarchically-structural heterogeneity due to phase decomposition, and the improved mechanical response during deformation is attributed to both a two-hierarchical constraint effect and a self-generated microcrack-arresting mechanism. This work provides a pathway for strengthening eutectic alloys and widens the design toolbox for high-performance materials based upon EHEAs.

In human-made malleable materials, microdamage such as cracking usually limits material lifetime. Some biological composites, such as bone, have hierarchical microstructures that tolerate cracks but cannot withstand high elongation. We demonstrate a directionally solidified eutectic high-entropy alloy (EHEA) that successfully reconciles crack tolerance and high elongation. The solidified alloy has a hierarchically organized herringbone structure that enables bionic-inspired hierarchical crack buffering. This effect guides stable, persistent crystallographic nucleation and growth of multiple microcracks in abundant poor-deformability microstructures. Hierarchical buffering by adjacent dynamic strain-hardened features helps the cracks to avoid catastrophic growth and percolation. Our self-buffering herringbone material yields an ultrahigh uniform tensile elongation (~50%), three times that of conventional nonbuffering EHEAs, without sacrificing strength.

High strength of materials usually comes with low ductility due to the lost or short-lived strain hardening. Here, we uncover a sequentially-activated multistage strain hardening (SMSH) that allows for sustained and effective strain-hardening capability in strong ultrafine-grained eutectic high-entropy alloy (EHEA). Consequently, exceptional ductility is realized in an ultrafine-grained EHEA, accompanied with high ultimate strength. We demonstrate that the SMSH is derived from a coordinated three-level design on structural heterogeneity, grain-size control, and intragranular composition modification, which enables the sequential activation of stress-dependent multiple hardening mechanisms. Furthermore, despite the well-known low twinning propensity due to ultrafine grains and medium-to-high stacking fault energies of prototype EHEAs, our coordinated design sequentially activates three types of deformation twinning to assist this SMSH. This work sheds light on the SMSH effect assisted by multi-type twinning previously unexpected in ultrafine-grained EHEAs, and thereby represents a promising route for improving ductility of high-strength materials.

Eutectic alloys (EAs) with superior fluidity are known to be the easiest to cast into high-quality ingots, making them the alloys of choice for making large-sized structural parts. However, conventional EAs (CEAs) have never reached strength-ductility combinations on par with the best in other alloy categories. Via thermomechanical processing of cast Ni-32.88wt%Fe-9.53wt%Al CEAs, a cocoon-like nano-meshed (as fine as 26 nm) network of dislocations (CNN-D) is produced via recovery annealing, through the rearrangement of cold-work-accumulated dislocations anchored by dense pre-existing nanoprecipitates. In lieu of traditional plasticity mechanisms, such as TWIP and TRIP, the CNN-D is particularly effective in eutectic lamellae with alternating phases, as it instigates nanometer-spaced planar slip bands that not only dynamically refine the microstructure but also transmit from the FCC (face-centered-cubic) layers into the otherwise brittle B2 layers. These additional mechanisms for strengthening and strain hardening sustain stable tensile flow, resulting in a striking elevation of both strength and ductility to outrank not only all previous CEAs, but also the state of the art-additively manufactured eutectic high-entropy alloys. The CNN-D thus adds a novel microstructural strategy for performance enhancement, especially for compositionally complex alloys that increasingly make use of nanoprecipitates or local chemical order.

The strength−ductility trade-off exists ubiquitously, especially in brittle intermetallic-containing multiple principal element alloys (MPEAs), where the intermetallic phases often induce premature failure leading to severe ductility reduction. Hierarchical heterogeneities represent a promising microstructural solution to achieve simultaneous strength−ductility enhancement. However, it remains fundamentally challenging to tailor hierarchical heterostructures using conventional methods, which often rely on costly and time-consuming processing. Here, we report a multiscale microstructural inheritance and refinement strategy to process “structural hierarchy precursors” in as-cast heterogeneous Al 0.7 CoCrFeNi MPEAs, which lead directly to a hierarchical hetero-lamellar structure (HLS) after simple rolling and annealing. Interestingly, it takes only 10 min of annealing time, two orders of magnitude less than that required to render the state-of-the-art properties during conventional processing of Al 0.7 CoCrFeNi, for us to achieve record-high strength−ductility combinations via the hierarchical HLS design that sequentially stimulates multiple unusual deformation and reinforcement mechanisms. In particular, the HLS-enabled high hetero-deformation-induced (HDI) internal stress triggers profuse <111>-type dislocations on over five independent slip systems in the supposedly brittle intermetallic phase and activates extensive stacking faults (SFs) and nanotwinning in the adjoining soft phase with a rather high SF energy. These unexpected, dynamically reinforcing hetero-deformation mechanisms across multiple length scales facilitate high sustained HDI strain hardening, along with a salient microcrack-mediated extrinsic ductilization effect, suggesting that the proposed microstructural inheritance and refinement strategy provides an efficient, fast, and low-cost approach to overcome the strength−ductility trade-off in a broad range of structural materials.