分享：骨传导蓝牙耳机镍钛合金后挂早期断裂原因

郭 青1,刘攀攀1,邓祖琪2,李超逸3,罗 婷1,李晓玲1

(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) 

摘 要:骨传导蓝牙耳机镍钛合金后挂在组装后出现发软现象,并在疲劳试验时发生早期断裂。 采用宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、金相检验、断口分析及能谱分析等方法,对该耳机后挂断 裂的原因进行了分析。结果表明:耳机镍钛合金后挂的原材料在轧制过程中形成折叠缺陷,在随后 的拉拔过程中折叠缺陷不断向材料内部延伸扩展,形成纵向裂纹,使材料承受外力的能力降低,导 致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。

关键词:骨传导蓝牙耳机;镍钛合金;早期断裂;折叠缺陷 

中图分类号:TG146.1 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0033-04

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 6920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 10000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。

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。

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,其拉拉伸性能符合企业提供对镍钛合金的技术 要求。

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 GB24627-2009 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。

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。 

1.7 能谱分析

采用牛津INCAX-ACT250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。

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。

参考文献: [1] 穆盈,施小立,祁凤君,等.镍钛合金医疗器械产品疲 劳测试断 裂 失 效 分 析 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册), 2019,55(2):125-128. [2] 廖景娱.金属构件失效分析[M].北京:化学工业出版 社,2003. [3] 王荣.机械装备的失效分析(续前)第8讲 失效诊断 与预防技术(3)[J].理化检验(物理 分 册),2018,54 (4):244-255.

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