【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系任富增教授團(tuán)隊聯(lián)合香港科技大學(xué)孫慶平教授、加州大學(xué)伯克利分校 Robert O. Ritchie 教授等，在抗疲勞 NiTi 形狀記憶合金研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Bending-fatigue-resistant hierarchical NiTi shape memory alloy”為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　NiTi 形狀記憶合金因其優(yōu)異的超彈性、耐腐蝕性、大超彈性變形能力和高阻尼特性，在生物醫(yī)用植入體、智能驅(qū)動器、機器人以及彈熱制冷等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，在循環(huán)彎曲載荷作用下，NiTi 合金表面容易發(fā)生疲勞裂紋形核與擴(kuò)展，導(dǎo)致器件斷裂失效。疲勞問題長期制約著 NiTi 形狀記憶合金在高循環(huán)、高可靠性場景中的工程應(yīng)用。
 

　　針對這一難題，研究團(tuán)隊提出了一種預(yù)應(yīng)變溫?zé)峒す鉀_擊強化(pre-strain warm laser shock peening, pw-LSP)表面工程策略。該方法通過在預(yù)加應(yīng)變和升溫的條件下施加激光沖擊，在商業(yè)化納米晶 NiTi 合金表面構(gòu)筑出約40微米深的多級異質(zhì)結(jié)構(gòu)層。該區(qū)域由富含鈦氮化物的高強表層、具有反向晶粒尺寸梯度及 B19′–R–B2 相梯度的超細(xì)晶層，和超過1 GPa的殘余壓應(yīng)力場共同組成。
 

　　在四點彎曲疲勞測試中，未經(jīng)處理的納米晶 NiTi 樣品在最大表面拉伸應(yīng)變?yōu)?.94%的條件下，僅循環(huán)1654次后即發(fā)生失效。相比之下，經(jīng) pw-LSP 處理后的異質(zhì)結(jié)構(gòu) NiTi 樣品在相同應(yīng)變條件下可承受超過500萬次循環(huán)而不發(fā)生斷裂，疲勞壽命提升超過3000倍。
 

　　研究團(tuán)隊進(jìn)一步揭示了該材料優(yōu)異疲勞抗性的內(nèi)在機制。一方面，富含鈦氮化物的硬化表層顯著提高了表面硬度和彈性模量，可有效抑制循環(huán)載荷下的局部塑性變形和裂紋萌生；另一方面，pw-LSP 引入的高殘壓余應(yīng)力可抵消外加載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使近表層區(qū)域在循環(huán)過程中保持壓應(yīng)力狀態(tài)，從而降低裂紋形成和擴(kuò)展的驅(qū)動力。測試結(jié)果顯示，處理后樣品表面的殘余壓應(yīng)力可達(dá)1GPa，并能在約20微米深度范圍內(nèi)有效抵消外加拉應(yīng)力。
 

　　此外，超細(xì)晶亞表層在裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的屏蔽作用。疲勞后截面觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋最大擴(kuò)展深度約為20微米，并在反梯度結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)被有效阻滯。透射電鏡分析顯示，裂紋尖端附近存在非晶剪切帶、R相和B19′馬氏體共格界面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)、分叉和鈍化，降低局部應(yīng)力強度因子，有效阻礙了裂紋擴(kuò)展。
 

　　該研究通過“表面化學(xué)強化+梯度相結(jié)構(gòu)調(diào)控+殘余壓應(yīng)力設(shè)計”的協(xié)同策略，突破了納米晶 NiTi 形狀記憶合金在高循環(huán)彎曲疲勞中的性能瓶頸。研究不僅為提升 NiTi 形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)耐久性和功能可靠性提供了新思路，也為其在生物醫(yī)用器械、柔性驅(qū)動器、機器人以及固態(tài)制冷等高可靠性服役場景中的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
 

　　南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士后閆凱、研究助理教授儲康杰為論文共同第一作者。任富增、Robert O. Ritchie、孫慶平為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、香港研究資助局等資助。南方科技大學(xué)分析測試中心、香港科技大學(xué)材料表征與制備平臺等為本研究提供了支持。
 

　　引用：南科大任富增團(tuán)隊在抗疲勞NiTi形狀記憶合金研究中取得進(jìn)展 南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)【引用時間：2026年05月29日】