骨傳導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.深圳市領先醫療服務有限公司, 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藍牙耳機獲得了越來越多的關注及推廣應用。

骨傳導藍牙耳機采用人體學創新設計，采用一根鎳鈦合金絲制造耳機后掛打造平衡機身，穩固不易掉落。用于制作耳機后掛的鎳鈦合金，具有優良的耐蝕性、高抗疲勞性、形狀記憶效應和超彈性等特點，在通訊和聲學等領域被廣泛應用。

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

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

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發軟現象，發軟后掛的兩個耳機芯間距明顯大于正常后掛的，見圖1。對發軟后掛的耳機進行疲勞試驗，在第6 920次疲勞循環時發生早期斷裂，不符合企業提供的技術要求(在第10 000次疲勞循環時斷裂)。如圖2所示：斷裂發生在后掛中部；后掛內部鎳鈦合金絲上有1條裂紋，從側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 化學成分分析

對絲徑為1.15 mm的后掛鎳鈦合金絲進行化學成分分析，結果見表1，可知其化學成分符合GB 24627-2009 《醫療器械和外科植入物用鎳-鈦形狀記憶合金加工材》標準對鎳鈦合金的技術要求。

表1 鎳鈦合金絲后掛的化學成分

1.3 拉伸試驗

對后掛鎳鈦合金絲進行拉伸試驗，結果見表2，其拉伸性能符合企業提供對鎳鈦合金的技術要求。

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，結果為-16 ℃，符合GB 24627-2009 標準對鎳鈦合金的技術要求(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域、裂紋源區側面進行觀察。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A1起始于鎳鈦合金絲端面裂紋開口處(機械損傷嚴重)，裂紋源區A2起始于鎳鈦合金絲端面裂紋中部；裂紋擴展區B1和B2均可見疲勞輝紋，擴展區B1的疲勞輝紋走向是從材料表面裂紋開口處向內延伸擴展，擴展區B2的疲勞輝紋走向是從材料內部向外延伸擴展；瞬斷區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A1側面觀察發現，裂紋源區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個區域，區域1～3為裂紋擴展區，其表面覆蓋的氧化產物數量逐漸減少，區域4為最后斷裂區。

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域進行微區半定量成分分析。

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，端面裂紋開口處從裂紋延伸區至斷裂區(區域1至區域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域的EDS檢測結果

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，裂紋擴展區均可見明顯疲勞輝紋，瞬斷區可見扁平韌窩，整體呈疲勞斷口的形貌特征[1]。觀察端面裂紋開口處側面發現，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，且以鋸齒狀向內延伸擴展，裂紋開口處有氧化產物，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部延伸擴展，形成縱向裂紋，導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發軟現象，并在疲勞試驗時發生早期斷裂。

3 結論及建議

(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部延伸擴展，形成縱向裂紋，導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發軟現象，并在疲勞試驗時發生早期斷裂。

(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量，經過約6個月的實際運行，產品未再出現原材料軋制缺陷引起的早期斷裂問題。