近日，南方科技大学材料科学与工程系任富增教授团队联合香港科技大学孙庆平教授、加州大学伯克利分校 Robert O. Ritchie 教授等，在抗疲劳 NiTi 形状记忆合金研究方面取得重要进展。相关成果以“Bending-fatigue-resistant hierarchical NiTi shape memory alloy”为题，发表在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

NiTi 形状记忆合金因其优异的超弹性、耐腐蚀性、大超弹性变形能力和高阻尼特性，在生物医用植入体、智能驱动器、机器人以及弹热制冷等领域具有广泛应用前景。然而，在循环弯曲载荷作用下，NiTi 合金表面容易发生疲劳裂纹形核与扩展，导致器件断裂失效。疲劳问题长期制约着 NiTi 形状记忆合金在高循环、高可靠性场景中的工程应用。

针对这一难题，研究团队提出了一种预应变温热激光冲击强化（pre-strain warm laser shock peening, pw-LSP）表面工程策略。该方法通过在预加应变和升温的条件下施加激光冲击，在商业化纳米晶 NiTi 合金表面构筑出约40微米深的多级异质结构层。该区域由富含钛氮化物的高强表层、具有反向晶粒尺寸梯度及 B19′–R–B2 相梯度的超细晶层，和超过1 GPa的残余压应力场共同组成（图1）。

图1 异质结构NiTi合金的截面结构表征

在四点弯曲疲劳测试中，未经处理的纳米晶 NiTi 样品在最大表面拉伸应变为1.94%的条件下，仅循环1654次后即发生失效。相比之下，经 pw-LSP 处理后的异质结构 NiTi 样品在相同应变条件下可承受超过500万次循环而不发生断裂，疲劳寿命提升超过3000倍 （图2）。

图2 疲劳性能对比，多级异质结构 NiTi 的弯曲疲劳寿命大幅高于商业纳米晶 NiTi 合金

研究团队进一步揭示了该材料优异疲劳抗性的内在机制。一方面，富含钛氮化物的硬化表层显著提高了表面硬度和弹性模量，可有效抑制循环载荷下的局部塑性变形和裂纹萌生；另一方面，pw-LSP 引入的高残压余应力可抵消外加载荷产生的拉应力，使近表层区域在循环过程中保持压应力状态，从而降低裂纹形成和扩展的驱动力。测试结果显示，处理后样品表面的残余压应力可达1GPa，并能在约20微米深度范围内有效抵消外加拉应力。

此外，超细晶亚表层在裂纹扩展过程中发挥了关键的屏蔽作用。疲劳后截面观察发现，裂纹最大扩展深度约为20微米，并在反梯度结构区域内被有效阻滞。透射电镜分析显示，裂纹尖端附近存在非晶剪切带、R相和B19′马氏体共格界面等复杂结构，这些结构可诱导裂纹偏转、分叉和钝化，降低局部应力强度因子，有效阻碍了裂纹扩展（图3）。

图3 异质结构 NiTi 形状记忆合金抗疲劳机制示意图

该研究通过“表面化学强化+梯度相结构调控+残余压应力设计”的协同策略，突破了纳米晶 NiTi 形状记忆合金在高循环弯曲疲劳中的性能瓶颈。研究不仅为提升 NiTi 形状记忆合金的结构耐久性和功能可靠性提供了新思路，也为其在生物医用器械、柔性驱动器、机器人以及固态制冷等高可靠性服役场景中的应用奠定了重要基础。

南方科技大学材料科学与工程系博士后闫凯、研究助理教授储康杰为论文共同第一作者。任富增、Robert O. Ritchie、孙庆平为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、香港研究资助局等资助。南方科技大学分析测试中心、香港科技大学材料表征与制备平台等为本研究提供了支持。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-72857-z

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯