骨傳導(dǎo)藍牙耳機鎳鈦合金后掛早期斷裂原因

郭 青, 劉攀攀, 鄧祖琪, 李超逸, 羅 婷, 李曉玲

(1.深圳市領(lǐng)先醫(yī)療服務(wù)有限公司, 深圳 518057; 2.深圳市韶音科技有限公司, 深圳 518055;3.成都嘉陵華西光學(xué)精密機械有限公司, 成都 611743)

隨著人們健身意識的提高，一種適用于路跑、越野、滑板等運動的骨傳導(dǎo)藍牙耳機獲得了越來越多的關(guān)注及推廣應(yīng)用。

骨傳導(dǎo)藍牙耳機采用人體學(xué)創(chuàng)新設(shè)計，采用一根鎳鈦合金絲制造耳機后掛打造平衡機身，穩(wěn)固不易掉落。用于制作耳機后掛的鎳鈦合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、高抗疲勞性、形狀記憶效應(yīng)和超彈性等特點，在通訊和聲學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

某骨傳導(dǎo)藍牙耳機后掛使用的鎳鈦合金絲的生產(chǎn)工藝為熔煉→軋制(鍛造)→切削帽口→表面切削→熱拉絲→冷拉絲，在耳機組裝后，后掛出現(xiàn)發(fā)軟現(xiàn)象，并在疲勞試驗時發(fā)生早期斷裂。

筆者通過一系列檢驗與分析，對該耳機后掛發(fā)軟及斷裂原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該款耳機成品中有個別耳機后掛出現(xiàn)發(fā)軟現(xiàn)象，發(fā)軟后掛的兩個耳機芯間距明顯大于正常后掛的，見圖1。對發(fā)軟后掛的耳機進行疲勞試驗，在第6 920次疲勞循環(huán)時發(fā)生早期斷裂，不符合企業(yè)提供的技術(shù)要求(在第10 000次疲勞循環(huán)時斷裂)。如圖2所示：斷裂發(fā)生在后掛中部；后掛內(nèi)部鎳鈦合金絲上有1條裂紋，從側(cè)面可見裂紋沿縱向擴展；鎳鈦合金絲端面裂紋沿徑向擴展，幾乎貫穿整個端面；斷口呈臺階狀，斷口平齊，未見明顯塑性變形，兩個臺階斷口上均可見裂紋源，裂紋源分別位于絲材端面裂紋開口處和裂紋中部。

圖1 發(fā)軟與正常后掛的耳機芯間距的宏觀形貌對比

圖2 后掛鎳鈦合金絲斷裂位置、縱向裂紋和端面裂紋不同位置斷口處的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對絲徑為1.15 mm的后掛鎳鈦合金絲進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可知其化學(xué)成分符合GB 24627-2009 《醫(yī)療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》標(biāo)準(zhǔn)對鎳鈦合金的技術(shù)要求。

表1 鎳鈦合金絲后掛的化學(xué)成分

1.3 拉伸試驗

對后掛鎳鈦合金絲進行拉伸試驗，結(jié)果見表2，其拉伸性能符合企業(yè)提供對鎳鈦合金的技術(shù)要求。

表2 后掛鎳鈦合金絲的拉伸性能

1.4 相變溫度檢測

對后掛鎳鈦合金絲進行相變溫度檢測，結(jié)果為-16 ℃，符合GB 24627-2009 標(biāo)準(zhǔn)對鎳鈦合金的技術(shù)要求(不高于-10 ℃)。

1.5 斷口分析

在后掛鎳鈦合金絲斷口處截取試樣，用無水乙醇經(jīng)超聲振蕩清洗后，利用日本電子JSM-6510型掃描電鏡(SEM)對斷口整體形貌、臺階斷口縱向開裂區(qū)域、裂紋源區(qū)側(cè)面進行觀察。如圖3所示：斷口可見局部機械損傷，兩個臺階斷口上的兩條裂紋源呈人字紋走向，裂紋源區(qū)A1起始于鎳鈦合金絲端面裂紋開口處(機械損傷嚴(yán)重)，裂紋源區(qū)A2起始于鎳鈦合金絲端面裂紋中部；裂紋擴展區(qū)B1和B2均可見疲勞輝紋，擴展區(qū)B1的疲勞輝紋走向是從材料表面裂紋開口處向內(nèi)延伸擴展，擴展區(qū)B2的疲勞輝紋走向是從材料內(nèi)部向外延伸擴展；瞬斷區(qū)C1和C2均可見扁平狀韌窩，呈典型的疲勞斷裂特征形貌；從斷口裂紋源區(qū)A1側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源區(qū)A1分布著許多平行于斷面的微裂紋，為典型的疲勞裂紋。如圖4所示，后掛鎳鈦合金絲端面裂紋開口處可分為4個區(qū)域，區(qū)域1～3為裂紋擴展區(qū)，其表面覆蓋的氧化產(chǎn)物數(shù)量逐漸減少，區(qū)域4為最后斷裂區(qū)。

圖3 后掛鎳鈦合金絲斷口不同位置處的SEM形貌

圖4 后掛鎳鈦合金絲端面裂紋開口處不同區(qū)域的SEM形貌

1.6 金相檢驗

對后掛鎳鈦合金絲斷口橫截面進行磨削，采用蔡司A1M型光學(xué)顯微鏡對橫截面裂紋進行觀察。如圖5所示，裂紋幾乎貫穿整個絲材橫截面，裂紋開口處呈一定角度，且以鋸齒狀向基體內(nèi)沿晶擴展。

圖5 后掛鎳鈦合金絲端面裂紋的微觀形貌

1.7 能譜分析

采用牛津INCA X-ACT 250型能譜儀(EDS)，對后掛鎳鈦合金絲端面裂紋表面及臺階斷口區(qū)域進行微區(qū)半定量成分分析。

如圖6所示，后掛鎳鈦合金絲端面裂紋表面及臺階斷口區(qū)域除含有鈦和鎳元素外，還含有碳、氧、鋁、硅、鐵等元素，這些元素可能來源于鎳鈦合金絲鍛造過程中表面接觸或氧化的物質(zhì)，端面裂紋開口處從裂紋延伸區(qū)至斷裂區(qū)(區(qū)域1至區(qū)域4)，其氧含量逐漸減少。

圖6 后掛鎳鈦合金絲端面裂紋表面及臺階斷口區(qū)域的EDS檢測結(jié)果

2 分析與討論

后掛鎳鈦合金絲的裂紋源分別位于絲材端面裂紋開口處和裂紋中部，裂紋擴展區(qū)均可見明顯疲勞輝紋，瞬斷區(qū)可見扁平韌窩，整體呈疲勞斷口的形貌特征[1]。觀察端面裂紋開口處側(cè)面發(fā)現(xiàn)，存在許多平行于斷面的微裂紋，為典型的疲勞裂紋[2]，說明后掛鎳鈦合金絲屬于疲勞脆斷。

后掛鎳鈦合金絲端面裂紋開口處呈一定角度，且以鋸齒狀向內(nèi)延伸擴展，裂紋開口處有氧化產(chǎn)物，具有折疊裂紋特征[3]，這說明鎳鈦合金絲在軋制過程中形成折疊缺陷，折疊缺陷在隨后的拉拔過程中不斷向材料內(nèi)部延伸擴展，形成縱向裂紋，導(dǎo)致絲材承載有效面積大大減小，降低了后掛承受外力的能力，致使耳機后掛在使用時出現(xiàn)發(fā)軟現(xiàn)象，并在疲勞試驗時發(fā)生早期斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 耳機后掛鎳鈦合金絲原材料在軋制過程中形成折疊缺陷，折疊缺陷在隨后的拉拔過程中不斷向材料內(nèi)部延伸擴展，形成縱向裂紋，導(dǎo)致絲材承載有效面積大大減小，降低了后掛承受外力的能力，致使耳機后掛在使用時出現(xiàn)發(fā)軟現(xiàn)象，并在疲勞試驗時發(fā)生早期斷裂。

(2) 對于軋制后的鎳鈦方坯兩頭的開裂部分，由原來的修磨改為直接切除，鍛造后增加表面切削量，對拋光后的鎳鈦合金絲產(chǎn)品進行三維顯微鏡檢測，對裂紋段進行剪切。

(3) 實踐證明，通過實施以上措施，提高了鎳鈦合金絲原材料的質(zhì)量，經(jīng)過約6個月的實際運行，產(chǎn)品未再出現(xiàn)原材料軋制缺陷引起的早期斷裂問題。