不同使用狀況下熱得快電熱絲的顯微斷口形貌分析

●羅 文

(株洲市消防支隊(duì)，湖南株洲 412000)

熱得快是一種常用的加熱器具，因?yàn)楣β蚀?，加熱效率高，給人們的生活帶來(lái)很多便利。但是，在使用熱得快的過(guò)程中，由于操作不當(dāng)、質(zhì)量不合格等原因，由熱得快干燒引起的火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。火災(zāi)發(fā)生后，由于火場(chǎng)溫度高、滅火方法等方面的原因可能造成火災(zāi)物證的破壞，給失火原因的調(diào)查工作帶來(lái)一定困難［1-2］。而熱得快由于其主要工作部分由外部金屬管和內(nèi)部電熱絲組成，在火場(chǎng)中通常能較完好地作為物證保留下來(lái)［3］。

目前根據(jù)不同使用條件下的熱得快存在明顯組織特征差異這一原理來(lái)判斷火災(zāi)前熱得快的通電狀態(tài)的主要方法為從宏觀上通過(guò)對(duì)熱得快進(jìn)行外觀鑒別和電熱絲金相組織鑒別法［4］。此外，利用電鏡掃描對(duì)熱得快外部電熱管的表面特征和微觀形狀等特征進(jìn)行研究分析，也廣泛應(yīng)用于火災(zāi)調(diào)查工作中判定熱得快在火災(zāi)前的通電狀態(tài)［5］。

盡管不同使用狀態(tài)下熱得快的電熱管在火災(zāi)后將呈現(xiàn)宏觀和微觀組織特征差異、其內(nèi)部電熱絲表面也有特征差異，但仍不足以完全準(zhǔn)確地判定其火災(zāi)前的通電狀態(tài)。本文以未使用、正常使用、通電過(guò)熱三種狀態(tài)下的熱得快為原材料，分別制備受外熱和不受外熱兩種情況下的熱得快電熱絲斷口樣品，再利用掃描電子顯微鏡觀察分析不同樣品的顯微斷口形貌特征的差異，從而為火災(zāi)發(fā)生前熱得快的通電狀態(tài)的判定提供一種新的方法和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

試驗(yàn)采用某廠家生產(chǎn)的同型號(hào)的10個(gè)鋁管式熱得快作為試樣，材料為Fe-Cr-Al合金，額定功率700 W，額定電壓220 V。表1給出了本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)材料及其處理規(guī)程:試樣分為A、B、C三組。其中A組為未使用過(guò)的熱得快樣品;B組為正常使用過(guò)一段時(shí)間(30 h)的熱得快樣品;C組為干燒一段時(shí)間(2 min)的熱得快樣品。每組試樣分為受外熱和不受外熱兩種情況。其中，外熱處理采用一體化高溫爐將試樣加熱至800℃，到溫后恒溫30 min以模擬火災(zāi)的發(fā)生。

表1 試驗(yàn)材料及處理規(guī)程

將試驗(yàn)獲得的熱得快試樣的電熱絲取出，獲得表1所定義的不同狀態(tài)下的電熱絲樣品。用數(shù)碼相機(jī)將熱得快電熱絲特征拍照記錄，觀察分析不同條件下熱得快電熱絲的光澤、韌性、表面光滑程度等宏觀特征。分別截取各不同狀態(tài)的電熱絲10cm，在拉伸機(jī)上以0．2 mm·s-1的拉伸速率將電熱絲拉斷以獲得斷口試樣。顯微斷口形貌觀察在KYKY-2800B型掃描電鏡上進(jìn)行，加速電壓為20 kV，放大倍率為1 000倍。為避免偶然性，同一狀態(tài)的試樣重復(fù)3次，獲得3個(gè)斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 未使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同一狀態(tài)的3組斷口形貌圖的特征相似，未使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌如圖1(a)和圖1(b)所示，其中后者經(jīng)高溫外熱處理，可以看出:兩者斷口存在明顯頸縮，斷口的斷裂面與最大正應(yīng)力方向約呈45°，纖維區(qū)的韌窩較深，數(shù)量很多，紋理清晰，分布均勻。經(jīng)高溫外熱處理后，纖維區(qū)面積略有減小，集中聚集在中心位置，剪切唇區(qū)面積有所增大，但纖維區(qū)的韌窩特征與高溫外熱處理前相比沒(méi)有明顯變化。未使用狀態(tài)下熱得快電熱絲呈典型的韌性斷裂方式［6］。

圖1 未使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

2．2 正常使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

正常使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌如圖2(a)和圖2(b)所示，其中后者經(jīng)高溫外熱處理，可以看出:兩者斷口纖維區(qū)的韌窩數(shù)量較多，但深度較淺，紋理不清晰，形狀不規(guī)則，且均沒(méi)有出現(xiàn)韌性斷裂常見(jiàn)的放射區(qū)。其中正常使用且受高溫外熱處理的熱得快電熱絲顯微斷口形貌顏色灰暗，氧化嚴(yán)重，韌窩大小不一，纖維區(qū)出現(xiàn)微裂紋(圖2(b)中橢圓內(nèi)所示區(qū)域)，且與剪切唇區(qū)的交界區(qū)域出現(xiàn)解理斷裂面(圖2(b)中箭頭所指區(qū)域)。說(shuō)明正常使用狀態(tài)下熱得快電熱絲的斷裂方式由韌性斷裂向脆性

圖2 正常使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌斷裂過(guò)渡。

2．3 干燒過(guò)熱狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

干燒過(guò)熱狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌如圖3(a)和圖3(b)所示，其中后者經(jīng)高溫外熱處理，可以看出:兩者斷口特征沒(méi)有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，纖維區(qū)出現(xiàn)的韌窩數(shù)目極少，深度很淺，沒(méi)有放射區(qū)，河流狀花樣幾乎占據(jù)整個(gè)斷面，并出現(xiàn)裂縫(圖3(b)中橢圓內(nèi)所示區(qū)域)。河流狀花樣中大量穿晶斷裂解理面的出現(xiàn)說(shuō)明干燒過(guò)熱狀態(tài)下熱得快電熱絲的斷裂方式呈典型的脆性斷裂。

圖3 干燒過(guò)熱狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

2．4 三種不同使用狀態(tài)下熱得快電熱絲顯微斷口形貌特征比較

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同使用狀態(tài)的熱得快電熱絲受外熱前后顯微斷口形貌特征變化不大，即一般火場(chǎng)溫度對(duì)電熱絲顯微斷口形貌的影響較小，但未使用、正常使用與干燒過(guò)熱狀態(tài)下電熱絲的顯微斷口形貌特征存在明顯的區(qū)別。

未使用狀態(tài)下熱得快電熱絲斷口處韌窩較深，數(shù)量很多，紋理清晰，分布均勻，屬于典型的韌性斷裂;正常使用狀態(tài)下電熱絲的斷口形貌與未使用狀態(tài)下相差不大，表面仍存在大量韌窩，但局部出現(xiàn)微裂紋和少量穿晶斷裂解理面，屬于以韌性斷裂為主的韌脆混合型斷裂;干燒過(guò)熱狀態(tài)下電熱絲的斷口形貌為大量穿晶斷裂解理面組成的河流狀花樣，并幾乎占據(jù)整個(gè)斷面，屬于典型的脆性斷裂。

2．5 斷口形貌的影響因素

本文認(rèn)為:影響3組試驗(yàn)樣品的斷口形貌的因素主要為溫度和時(shí)間。首先，未使用和使用的樣品的斷口形貌存在差別，而熱得快使用過(guò)程中工作端全部浸入水中，電熱絲所產(chǎn)生的熱量被水吸收后迅速釋放，電熱絲的工作溫度較低，約為130℃，還不足以使材料內(nèi)部組織發(fā)生顯著變化。因此，兩者形貌上的差別原因可能為加熱時(shí)間。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)晶粒粗化，斷裂方式逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)化。其次，正常使用和干燒的試樣斷口形貌上的差別的原因?yàn)闇囟?。干燒時(shí)溫度能夠達(dá)到800℃以上，電熱絲處于過(guò)熱狀態(tài)，材料內(nèi)部的晶粒粗化，晶界氧化、熔化，使得電熱絲的塑性大大降低，其斷裂性質(zhì)呈現(xiàn)典型的脆性特征［7］。由上可知，電熱絲在水中長(zhǎng)期處于130℃以及干燒狀態(tài)下其內(nèi)部組織以及性能會(huì)發(fā)生一定的變化，從而導(dǎo)致了拉伸斷口形貌上的顯著差異。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析討論，可得到以下結(jié)論:(1)相同使用狀態(tài)的熱得快電熱絲受外熱前后顯微斷口形貌特征變化不大，即一般火場(chǎng)溫度對(duì)電熱絲顯微斷口形貌的影響較小。(2)未使用、正常使用與干燒過(guò)熱狀態(tài)下電熱絲的顯微斷口形貌特征存在明顯的區(qū)別:在未使用狀態(tài)下，熱得快電熱絲的斷口韌窩分布均勻，數(shù)量很多，深度較深，紋理清晰，呈典型的韌性斷裂特征;在正常使用狀態(tài)下，熱得快電熱絲的整個(gè)斷口表面仍存在大量韌窩，但局部出現(xiàn)微裂紋和少量穿晶斷裂解理面，屬于以韌性斷裂為主的韌脆混合型斷口;在干燒過(guò)熱狀態(tài)下，熱得快電熱絲的斷口形貌特征為大量穿晶斷裂解理面組成的河流狀花樣，呈典型的脆性斷裂特征。(3)通過(guò)SEM分析熱得快電熱絲的顯微斷口形貌特征，可以完善熱得快在火災(zāi)發(fā)生之前是否處于干燒過(guò)熱狀態(tài)的判定依據(jù)。

［1］張輝，鄒紅．熱得快火災(zāi)物證鑒定方法的研究［J］．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2007，4(3)：137-140．

［2］高偉，梁志宏，汪志強(qiáng)．熱得快火災(zāi)危險(xiǎn)性及痕跡鑒定技術(shù)初探［J］．消防科學(xué)與技術(shù)，2003，22(5)：422-424．

［3］陸鋼，尹義鋒，趙蘭花．“熱得快”火災(zāi)痕跡試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17(8)：98-103．

［4］楊春，朱衍勇，司紅，等．熱得快通電干燒的金相鑒定方法［J］．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2012，48(2)：95-101．

［5］張輝，鄒紅．家用電熱器具火災(zāi)殘留物的SEM分析［J］．分析測(cè)試技術(shù)與儀器，2007，12(2)：93-97．

［6］鐘群鵬，趙子華．?dāng)嗫趯W(xué)［M］．北京：高等教育出版社，2006：131-200．

［7］汪平．火災(zāi)中受熱銅導(dǎo)線斷面形貌的研究［J］．武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29(6)：92-94．