骨传导蓝牙耳机镍钛合金后挂早期断裂原因

郭 青, 刘攀攀, 邓祖琪, 李超逸, 罗 婷, 李晓玲

(1.深圳市领先医疗服务有限公司, 深圳 518057; 2.深圳市韶音科技有限公司, 深圳 518055;3.成都嘉陵华西光学精密机械有限公司, 成都 611743)

随着人们健身意识的提高，一种适用于路跑、越野、滑板等运动的骨传导蓝牙耳机获得了越来越多的关注及推广应用。

骨传导蓝牙耳机采用人体学创新设计，采用一根镍钛合金丝制造耳机后挂打造平衡机身，稳固不易掉落。用于制作耳机后挂的镍钛合金，具有优良的耐蚀性、高抗疲劳性、形状记忆效应和超弹性等特点，在通讯和声学等领域被广泛应用。

某骨传导蓝牙耳机后挂使用的镍钛合金丝的生产工艺为熔炼→轧制(锻造)→切削帽口→表面切削→热拉丝→冷拉丝，在耳机组装后，后挂出现发软现象，并在疲劳试验时发生早期断裂。

笔者通过一系列检验与分析，对该耳机后挂发软及断裂原因进行了分析，并提出了相应的改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该款耳机成品中有个别耳机后挂出现发软现象，发软后挂的两个耳机芯间距明显大于正常后挂的，见图1。对发软后挂的耳机进行疲劳试验，在第6 920次疲劳循环时发生早期断裂，不符合企业提供的技术要求(在第10 000次疲劳循环时断裂)。如图2所示：断裂发生在后挂中部；后挂内部镍钛合金丝上有1条裂纹，从侧面可见裂纹沿纵向扩展；镍钛合金丝端面裂纹沿径向扩展，几乎贯穿整个端面；断口呈台阶状，断口平齐，未见明显塑性变形，两个台阶断口上均可见裂纹源，裂纹源分别位于丝材端面裂纹开口处和裂纹中部。

图1 发软与正常后挂的耳机芯间距的宏观形貌对比

图2 后挂镍钛合金丝断裂位置、纵向裂纹和端面裂纹不同位置断口处的宏观形貌

1.2 化学成分分析

对丝径为1.15 mm的后挂镍钛合金丝进行化学成分分析，结果见表1，可知其化学成分符合GB 24627-2009 《医疗器械和外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材》标准对镍钛合金的技术要求。

表1 镍钛合金丝后挂的化学成分

1.3 拉伸试验

对后挂镍钛合金丝进行拉伸试验，结果见表2，其拉伸性能符合企业提供对镍钛合金的技术要求。

表2 后挂镍钛合金丝的拉伸性能

1.4 相变温度检测

对后挂镍钛合金丝进行相变温度检测，结果为-16 ℃，符合GB 24627-2009 标准对镍钛合金的技术要求(不高于-10 ℃)。

1.5 断口分析

在后挂镍钛合金丝断口处截取试样，用无水乙醇经超声振荡清洗后，利用日本电子JSM-6510型扫描电镜(SEM)对断口整体形貌、台阶断口纵向开裂区域、裂纹源区侧面进行观察。如图3所示：断口可见局部机械损伤，两个台阶断口上的两条裂纹源呈人字纹走向，裂纹源区A1起始于镍钛合金丝端面裂纹开口处(机械损伤严重)，裂纹源区A2起始于镍钛合金丝端面裂纹中部；裂纹扩展区B1和B2均可见疲劳辉纹，扩展区B1的疲劳辉纹走向是从材料表面裂纹开口处向内延伸扩展，扩展区B2的疲劳辉纹走向是从材料内部向外延伸扩展；瞬断区C1和C2均可见扁平状韧窝，呈典型的疲劳断裂特征形貌；从断口裂纹源区A1侧面观察发现，裂纹源区A1分布着许多平行于断面的微裂纹，为典型的疲劳裂纹。如图4所示，后挂镍钛合金丝端面裂纹开口处可分为4个区域，区域1～3为裂纹扩展区，其表面覆盖的氧化产物数量逐渐减少，区域4为最后断裂区。

图3 后挂镍钛合金丝断口不同位置处的SEM形貌

图4 后挂镍钛合金丝端面裂纹开口处不同区域的SEM形貌

1.6 金相检验

对后挂镍钛合金丝断口横截面进行磨削，采用蔡司A1M型光学显微镜对横截面裂纹进行观察。如图5所示，裂纹几乎贯穿整个丝材横截面，裂纹开口处呈一定角度，且以锯齿状向基体内沿晶扩展。

图5 后挂镍钛合金丝端面裂纹的微观形貌

1.7 能谱分析

采用牛津INCA X-ACT 250型能谱仪(EDS)，对后挂镍钛合金丝端面裂纹表面及台阶断口区域进行微区半定量成分分析。

如图6所示，后挂镍钛合金丝端面裂纹表面及台阶断口区域除含有钛和镍元素外，还含有碳、氧、铝、硅、铁等元素，这些元素可能来源于镍钛合金丝锻造过程中表面接触或氧化的物质，端面裂纹开口处从裂纹延伸区至断裂区(区域1至区域4)，其氧含量逐渐减少。

图6 后挂镍钛合金丝端面裂纹表面及台阶断口区域的EDS检测结果

2 分析与讨论

后挂镍钛合金丝的裂纹源分别位于丝材端面裂纹开口处和裂纹中部，裂纹扩展区均可见明显疲劳辉纹，瞬断区可见扁平韧窝，整体呈疲劳断口的形貌特征[1]。观察端面裂纹开口处侧面发现，存在许多平行于断面的微裂纹，为典型的疲劳裂纹[2]，说明后挂镍钛合金丝属于疲劳脆断。

后挂镍钛合金丝端面裂纹开口处呈一定角度，且以锯齿状向内延伸扩展，裂纹开口处有氧化产物，具有折叠裂纹特征[3]，这说明镍钛合金丝在轧制过程中形成折叠缺陷，折叠缺陷在随后的拉拔过程中不断向材料内部延伸扩展，形成纵向裂纹，导致丝材承载有效面积大大减小，降低了后挂承受外力的能力，致使耳机后挂在使用时出现发软现象，并在疲劳试验时发生早期断裂。

3 结论及建议

(1) 耳机后挂镍钛合金丝原材料在轧制过程中形成折叠缺陷，折叠缺陷在随后的拉拔过程中不断向材料内部延伸扩展，形成纵向裂纹，导致丝材承载有效面积大大减小，降低了后挂承受外力的能力，致使耳机后挂在使用时出现发软现象，并在疲劳试验时发生早期断裂。

(2) 对于轧制后的镍钛方坯两头的开裂部分，由原来的修磨改为直接切除，锻造后增加表面切削量，对抛光后的镍钛合金丝产品进行三维显微镜检测，对裂纹段进行剪切。

(3) 实践证明，通过实施以上措施，提高了镍钛合金丝原材料的质量，经过约6个月的实际运行，产品未再出现原材料轧制缺陷引起的早期断裂问题。