在经历变形后，通过温度变化自动恢复到原始形状对的拥有天然响应能力的记忆合金，在诸多精密设备中是理想的智能材料体系，其中应用较为广泛的NiTi形状记忆合金体系存在一个长期的困扰，即疲劳寿命不足以支撑其长期稳定服役，目前的主流改善方法，即便获得了更稳定的疲劳稳定性，整体的疲劳性能提升依然有限。

近日《Nature Communications》上在线发表了一篇题为“Bending-fatigue-resistant hierarchical NiTi shape memory alloy”的研究论文。在该论文中，团队采用“预应变-温激光冲击喷丸”的表面处理工艺，在商用纳米晶NiTi合金表面构建了能够抑制裂纹萌生与扩展的分层结构，使材料在1.94%的最大表面拉应变下，弯曲疲劳寿命超过500万次，相较于未处理的材料寿命提升超过三个数量级，且材料性能仅轻微退化。该论文以‌孙庆平教授、Robert O. Ritchie教授以及任富增教授作为通讯作者。

文章链接：

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

【核心内容】

该研究中核心的“预应变-温激光冲击喷丸”工艺，本质上是绕过了加工过程中的应力诱导相变，直接以10%的预应以确保样品完全马氏体相变，随后加热到150 ℃保持10分钟，再进行激光冲击喷丸。最终，该处理策略在材料表面约40 μm的深度范围内，构建了一个化学与结构梯度相结合的分层微观结构，该结构对裂纹的萌生及后续的扩展上起到极大地抑制作用，从而使材料的弯曲疲劳性能实现突破。

【研究成果】

① 构筑多层次协同强化的表面微结构

处理层伴随着超过1GPa的深层压残余应力场，同时，在合金的表层，其主要由能够提高表面硬度和模量的富含梯度分布的TiN、Ti2N硬质颗粒的纳米复合组成，而5-40 μm的中间层则由具有逆向晶粒尺寸梯度和B19'-R-B2相梯度的超细晶层构成。

pw-LSP处理的NiTi SMA分层微观结构

② 实现数量级跨越的疲劳性能

经过pw-LSP处理的分层NiTi样品，在最大表面拉应变±1.94%的弯曲疲劳测试中，超过500万次循环后仍未断裂，与未处理的对比合金样品相比，分层NiTi合金的疲劳寿命提升达到了惊人的3000倍，并且，在高周次循环之后，材料仅表现出轻微的功能退化，表明其具有极高的疲劳损伤极限。

纳米晶与分层NiTi SMA的循环弯曲疲劳行为

③ 揭示“抗萌生”与“阻扩展”的协同强化机理

团队通过多尺度的表征后，将如此巨大的疲劳性能突破归因于多种机理的共同作用，首先裂纹的萌生是失效的源头，对于这方面，表面的氮化物硬化层和超过1 GPa的深层压残余应力场抑制了位错活动和裂纹形核，使材料在加载周期内表面仍保持净压应力状态。

分层NiTi SMA的微观力学行为

其次，在裂纹萌生之后，其扩展也会面临巨大阻力，这是因为超细晶亚层具有比内部纳米晶基体更高的断裂韧性，裂纹在相界和晶界处会发生分叉和偏转，且裂纹尖端存在非晶剪切带以及R相与B19'马氏体的共格界面，这些结构有效地钝化了裂纹尖端，降低其扩展驱动力，因此，在微观表征中，能够观察到裂纹仅扩展约20 μm后即被有效阻止。

分层NiTi SMA的疲劳机制

【总结与展望】

这项研究成功在NiTi形状记忆合金表面构筑了一个集化学硬化、梯度微结构和深层压应力于一体的分层体系，实现了弯曲疲劳寿命的跃升，该策略为开发高性能、高可靠性的形状记忆合金提供了可扩展的工程路径。