家用小型電爐爐絲斷面形貌分析

周錕

（樂(lè)山市消防救援支隊(duì)夾江縣大隊(duì)，四川 樂(lè)山 614100）

本文模擬未使用、正常使用、通電過(guò)熱的電爐，并將3 種情況下的電爐絲放入一體化高溫爐內(nèi)加熱，然后用相同的應(yīng)力將不同情況下的電爐絲拉斷，獲得其斷面，通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察電爐絲的斷面形貌，對(duì)比分析后找出電爐絲在不同條件下斷面形貌的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在不同條件下的電爐絲斷面形貌存在明顯的差別，并有一定變化規(guī)律。未使用的電爐絲斷面呈本體材料的灰色，斷口均勻呈塑性斷裂特征，斷面內(nèi)有大量等軸韌窩；受外熱作用后，斷面形狀變得不規(guī)則，斷面內(nèi)韌窩尺寸不均勻，呈塑性斷裂特征。正常使用的電爐絲斷面較平坦，斷口形狀較規(guī)則，有很淺的拉長(zhǎng)型韌窩，塑性斷裂特征減少，脆性斷裂特征增加；受外熱作用后，斷面顏色變得灰暗，斷口形狀不規(guī)則，塑性斷裂特征減少，脆性斷裂特征增加。通電過(guò)熱后的電爐絲斷面呈起伏的溝壑狀，有明顯的撕裂棱，脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征減少；受外熱作用后，斷口形狀不規(guī)則，斷面較平直，脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征減少。因此，利用掃描電子顯微鏡分析技術(shù)，可以確定電爐絲在不同情況下的斷面特征，鑒別出電爐在火災(zāi)前的通電狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

1.1.1 正常使用時(shí)間的確定

全新的電爐，經(jīng)過(guò)每天4 h 的使用，連續(xù)使用了13 d，電爐的工作狀況基本達(dá)到了穩(wěn)定。

1.1.2 火燒溫度的確定

電爐絲的材料為鐵鉻鎳合金，正常工作時(shí)溫度在1 000 ℃以上，考慮到普通住宅火災(zāi)火場(chǎng)溫度一般在600～1 000 ℃，因此選取800 ℃為受熱溫度。使用一體化高溫爐模擬火場(chǎng)加熱時(shí)，從室溫上升到800 ℃需要25 min，之后再800 ℃持續(xù)30 min。加熱完成后，打開高溫爐自然冷卻。

1.1.3 通電過(guò)熱條件的確定

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，選取了一種最簡(jiǎn)單的通電過(guò)熱方法，直接將電爐短接導(dǎo)致其過(guò)熱。將銅導(dǎo)線一端連接于電爐絲的一端，將銅導(dǎo)線的另一端連接于整個(gè)電爐絲的中間部位，這樣使得只有50%的電爐絲工作，導(dǎo)致其功率翻倍造成過(guò)熱。通電過(guò)熱時(shí)間為10 min，當(dāng)?shù)竭_(dá)10 min 時(shí)，電源插頭處冒出黑煙，緊接著電爐停止工作，發(fā)現(xiàn)是銅導(dǎo)線和電爐絲的連接處的電爐絲斷開。

1.2 電爐絲樣品的制備

制備未使用的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，截取中部的電爐絲20 cm，為其編號(hào)備用。

制備未使用但受外熱作用的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，截取中部的電爐絲20 cm，放入一體化高溫爐內(nèi)加熱，模擬火場(chǎng)溫度為800 ℃，模擬火燒時(shí)間為30 min，加熱完成后打開高溫爐自然冷卻，取出后編號(hào)備用。

制備正常使用的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，放在火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接通電源正常使用，每天正常工作4 h，累積使用時(shí)間為50 h；之后截取中部的電爐絲20 cm，為其編號(hào)備用。

制備正常使用后受外熱作用的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，放在火災(zāi)痕跡物證實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接通電源正常使用，每天正常工作4 h，累積使用時(shí)間為50 h；之后截取中部的電爐絲20 cm，放入一體化高溫爐內(nèi)加熱，模擬火場(chǎng)溫度為800 ℃，模擬火燒時(shí)間為30 min，加熱完成后打開高溫爐自然冷卻，取出后編號(hào)備用[1]。

制備通電過(guò)熱的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，用一截銅導(dǎo)線將電爐絲的1/2 短接，使其只有1/2 電爐絲接入電路；然后放在火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接通電源，模擬造成通電過(guò)熱狀態(tài)；10 min 后斷掉電源，截取中部的電爐絲20 cm，為其編號(hào)備用。

制備通電過(guò)熱后受外熱作用的電爐絲：取一個(gè)全新的電爐，用一截銅導(dǎo)線將整個(gè)電爐絲的1/2 短接，使其只有1/2 電爐絲接入電路；然后放在火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接通電源，模擬造成通電過(guò)熱狀態(tài)；10 min 后斷掉電源，截取中部的電爐絲20 cm，放入一體化高溫爐內(nèi)加熱，模擬火場(chǎng)溫度為800 ℃，模擬火燒時(shí)間為30 min，加熱完成后打開高溫爐自然冷卻，取出后編號(hào)備用。

1.3 電爐絲樣品斷面的獲得

用2 只老虎鉗夾緊電爐絲的中部，控制2 只老虎鉗之間的距離為10 cm。2 人分別緊握1 只老虎鉗，用均等的速率向兩端拉伸電爐絲直至其斷裂。6 組電爐絲均使用此方法獲得斷面，拉伸過(guò)程中基本保證在相同條件下進(jìn)行，并經(jīng)過(guò)多次拉伸選取了較為理想的斷面作為下一步實(shí)驗(yàn)的材料。

1.4 電爐絲樣品斷面的觀察

實(shí)驗(yàn)選用電子掃描顯微鏡觀察樣品斷面，首先要制作觀察樣品。制作樣品時(shí)，將電爐絲從靠近斷面5 cm處截?cái)?，用鑷子將下部彎曲成一個(gè)類似三角形的底座，使帶有斷面的一端豎直向上，將其用導(dǎo)電膠固定在樣品杯上，將樣品杯置于樣品臺(tái)上，送至樣品室；當(dāng)樣品室真空度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，將高壓調(diào)至20 kⅤ，調(diào)節(jié)好亮度、對(duì)比度，選取150X、300X、500X、1 000X 共4種放大倍率對(duì)樣品的斷面進(jìn)行觀察分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 未使用的電爐絲斷面形貌特征

2.1.1 受熱前電爐絲斷面形貌特征

受熱前電爐絲斷口附近有明顯的塑性變形，呈杯錐狀，錐面平行于最大切應(yīng)力，與主應(yīng)力呈45°角，剪切唇區(qū)表面較光滑；斷口形狀較規(guī)則，周圍呈鵝毛絨狀即纖維狀；斷口內(nèi)纖維區(qū)呈現(xiàn)大面積等軸韌窩，韌窩尺寸較深，內(nèi)壁有滑移分離痕跡，能夠在韌窩的底部發(fā)現(xiàn)第二相顆粒。

2.1.2 受熱后電爐絲斷面形貌特征

受熱后電爐絲斷口附近有明顯的塑性變形，呈杯錐狀，剪切唇區(qū)表面有大塊氧化物存在；斷口形狀不規(guī)則，斷口內(nèi)纖維區(qū)出現(xiàn)韌窩，韌窩尺寸變化較大，部分區(qū)域有較大孔洞；韌窩內(nèi)壁有蛇形滑移分離痕跡，能夠發(fā)現(xiàn)部分韌窩內(nèi)第二相顆粒存在。

2.2 正常使用的電爐絲斷面形貌特征

2.2.1 受熱前電爐絲斷面形貌特征

受熱前電爐絲斷口有塑性變形，剪切唇區(qū)域較小且氧化變色嚴(yán)重；斷口內(nèi)纖維區(qū)顏色相對(duì)較灰暗，出現(xiàn)很淺的拉長(zhǎng)型韌窩，整個(gè)表面較平整。

2.2.2 受熱后電爐絲斷面形貌特征

受熱后電爐絲斷口有塑性變形，剪切唇區(qū)域不明顯且顏色相對(duì)較灰暗；斷口內(nèi)形狀不規(guī)則，纖維區(qū)中心較小的一塊區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)少量韌窩且尺寸不規(guī)則，屬于拉長(zhǎng)型韌窩，深度較淺。

2.3 通電過(guò)熱后電爐絲斷面形貌特征

2.3.1 受熱前電爐絲斷面形貌特征

受熱前電爐絲斷口有塑性變形，剪切唇區(qū)域較光滑且氧化變色嚴(yán)重，斷口形狀較規(guī)則；纖維區(qū)內(nèi)出現(xiàn)溝壑狀，凹凸起伏的斜面較光滑，在很小的一塊區(qū)域有韌窩型的小孔，有明顯的撕裂棱。

2.3.2 受熱后電爐絲斷面形貌特征

受熱后電爐絲斷口有塑性變形，剪切唇區(qū)較光亮，氧化變色相對(duì)較小，斷口形狀不規(guī)則；整個(gè)纖維區(qū)內(nèi)較平整且顏色相對(duì)灰暗，部分區(qū)域有類似拉長(zhǎng)型韌窩的小孔洞，部分區(qū)域較平整光滑。

3 分析與討論

3.1 結(jié)果分析

3.1.1 未使用的電爐絲斷面形貌分析

未使用的電爐絲斷面附近塑性變形大、斷口凹凸不平，斷面為本體材料的顏色呈灰色，斷口有鵝毛絨狀物質(zhì)，斷裂區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)韌窩，有撕裂狀的棱和微孔。

受熱后電爐絲斷面附近塑性變形大、斷口凹凸不平，斷面基本為灰色，部分區(qū)域?yàn)檠趸蟮念伾?，斷口處形狀不?guī)則也出現(xiàn)鵝毛狀形態(tài)，斷裂區(qū)域內(nèi)有韌窩，大小變化明顯，有撕裂狀的棱和微孔。

分析微觀形貌特征可知，2 種情況下的電爐絲斷裂均呈現(xiàn)塑性斷裂的特征，并在斷面內(nèi)存在大量的韌窩。韌窩的形成是由于材料內(nèi)部存在的第二相粒子或夾雜物在受到外力時(shí)周圍堆積的位錯(cuò)環(huán)運(yùn)動(dòng)，在材料內(nèi)部分離形成顯微空洞，在滑移作用下空洞長(zhǎng)大并與其他空洞連接在一起，在韌窩的底部可以看到第二相粒子。但由于外熱的作用，受熱后的電爐絲斷口形狀變得不規(guī)則，纖維區(qū)內(nèi)韌窩尺寸不均勻，出現(xiàn)較深的孔洞。

3.1.2 正常使用的電爐絲斷面形貌分析

正常使用的電爐絲斷面有塑性變形，斷口比較平直，斷面周圍有明顯的氧化變色痕跡，整個(gè)區(qū)域發(fā)白、發(fā)亮；且斷面較為平整，顏色較深，出現(xiàn)較淺的拉長(zhǎng)型韌窩。

受熱后電爐絲斷面有塑性變形，斷口有平直區(qū)域也有凹凸不平的區(qū)域，斷面周圍有不多的氧化變亮的痕跡；且斷面顏色較深，夾雜有深度很淺的拉長(zhǎng)型韌窩及孔洞。

從微觀形貌特征分析，2 種情況下的電爐絲由于斷裂面的增大，呈現(xiàn)出一些脆性斷裂的特征，但更偏向于塑性斷裂的特征。同正常使用的電爐絲相比，受熱后的電爐絲斷口形狀不規(guī)則，斷面區(qū)域凹凸起伏較大，顏色變暗，出現(xiàn)少量拉長(zhǎng)型韌窩。

3.1.3 通電過(guò)熱后電爐絲斷面形貌分析

通電過(guò)熱后電爐絲斷面變形嚴(yán)重，斷口凹凸不平，斷面周圍有大量的氧化變色痕跡；且斷面內(nèi)呈溝壑狀，斷面顏色很深，起伏的斜面上較光滑，有明顯的撕裂棱。

受熱后電爐絲斷面塑性變形較小，斷口形狀不規(guī)則，周圍有大量氧化變色痕跡，變色嚴(yán)重；且斷面較平直、顏色很深，部分區(qū)域出現(xiàn)很多微孔，部分區(qū)域光滑平直。

分析微觀形貌可知，由于通電過(guò)熱后電爐絲斷裂面變得很大，因此呈現(xiàn)出較多的脆性斷裂特征，同時(shí)也有塑性斷裂的特征。同通電過(guò)熱后電爐絲的斷口相比，受熱后的電爐絲斷口形狀不規(guī)則，斷面區(qū)域內(nèi)較平直，顏色很暗。

3.1.4 不同狀態(tài)下未受熱的電爐絲斷面形貌分析

未使用的電爐絲斷面呈塑性斷裂特征；正常使用的電爐絲斷面塑性斷裂特征較少，脆性斷裂特征增加；通電過(guò)熱后電爐絲斷面脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征較弱。3 種未受熱情況下的電爐絲斷面顏色依次加深，塑性變形程度依次減少，脆性變形的特征依次增加；斷口周圍氧化程度、光亮程度依次加深。

3.1.5 不同狀態(tài)下受熱后電爐絲斷面形貌分析

未使用的電爐絲受熱后斷面呈塑性斷裂特征；正常使用的電爐絲受熱后斷面塑性斷裂特征較少，脆性斷裂特征增加；通電過(guò)熱后的電爐絲受熱后斷面脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征較弱。

3 種情況下的電爐絲斷面顏色逐個(gè)加深，塑性變形程度依次減少，脆性變形的特征依次增加；斷面周圍的氧化程度、夾雜物顏色、光亮程度依次加深。同受熱前的電爐絲斷面相比，受熱后的電爐絲斷口形狀均變得不規(guī)則，周圍氧化變色程度相對(duì)較弱[2-3]。

3.2 討論

3.2.1 不同拉伸應(yīng)力對(duì)電爐絲斷面形貌的影響

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)中獲得的斷面是用老虎鉗拉斷，因此并不能保證每次拉伸的速率相同。速率不同，對(duì)同種情況下的電爐絲斷面形貌影響很大。對(duì)于呈現(xiàn)塑性斷裂特征的斷口，如果施加過(guò)大的拉伸力，速率很快，可能使其呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征；同樣，對(duì)于呈現(xiàn)脆性斷裂特征的斷口，如果施加的拉伸力過(guò)小，速率很慢，則可能出現(xiàn)塑性斷裂的特征。

3.2.2 不同冷卻方式對(duì)電爐絲斷面形貌的影響

在火場(chǎng)上最主要的冷卻方式是水冷卻和自然冷卻，這2 種冷卻方式直接影響著電爐絲的斷面形貌特征。經(jīng)火場(chǎng)高溫作用后的電爐絲，如果受到水和水蒸氣的作用，會(huì)生成氧化物，所以和自然冷卻的電爐絲有明顯的區(qū)別。放于空氣中自然冷卻的電爐絲，其斷口周圍的氧化更加劇烈。

3.2.3 不同使用狀態(tài)對(duì)電爐絲斷面形貌的影響

電爐絲不同狀態(tài)的最主要影響因素是受熱時(shí)間和受熱溫度，這2 種因素直接影響著電爐絲的斷面形貌特征。

從未使用電爐絲到正常使用電爐絲，再到過(guò)熱使用電爐絲，它們的受熱溫度依次升高，斷面上的各部分受高溫氧化、變形、變色的現(xiàn)象越明顯，其斷面形貌的特征變化越明顯，從保持原貌的塑性斷裂特征逐步變化為脆性斷裂特征[4]。

3.2.4 不同受熱方式對(duì)電爐絲斷面形貌的影響

實(shí)驗(yàn)中，電爐絲受熱的方式主要有電爐絲產(chǎn)生的內(nèi)熱作用和一體化高溫爐的外熱作用。由于受熱方式的不同，電爐絲的斷面形貌特征也不同。

電爐絲通電工作時(shí)，電流通過(guò)電爐絲產(chǎn)生大量的熱量。從未使用電爐絲到正常使用電爐絲，再到過(guò)熱使用電爐絲，產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多，其斷面形貌的變化越明顯；溫度越高氧化越嚴(yán)重，斷面顏色越深，斷口周圍的氧化產(chǎn)物越多，顏色越亮；斷面形貌從塑性斷裂的特征向脆性斷裂的特征轉(zhuǎn)變[5-6]。

電爐絲受外熱作用時(shí)，熱量從電爐絲表面向內(nèi)傳遞。電爐絲的正常工作溫度可以達(dá)到1 000 ℃以上，而模擬的火場(chǎng)溫度為800 ℃，通過(guò)觀察其斷面形貌特征同對(duì)應(yīng)的受熱前電爐絲基本相同，發(fā)生明顯變化的是：3 種狀態(tài)下受熱后的電爐絲，斷口形狀不規(guī)則，周圍的氧化程度沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的受熱前的電爐絲氧化程度高，顏色也較暗；3 種狀態(tài)下受熱后的電爐絲氧化程度依次升高，斷口周圍氧化物增多，顏色變亮；斷面形貌也從塑性斷裂的特征向脆性斷裂的特征變化。

4 結(jié)論

未使用的電爐絲斷面呈本體材料的灰色，斷面內(nèi)有大量等軸韌窩，斷口均勻呈塑性斷裂特征；受外熱作用后，斷面變形變得不規(guī)則，斷口周圍有大塊的氧化物，顏色變暗，斷面內(nèi)韌窩尺寸不均勻，呈塑性斷裂特征。

正常使用的電爐絲斷面較平坦，周圍氧化物很多，斷口形狀較規(guī)則，塑性斷裂特征較少，脆性斷裂特征增加；受外熱作用后，斷面顏色變得很暗，斷口形狀不規(guī)則，塑性斷裂特征減少，脆性斷裂特征增加。

通電過(guò)熱后電爐絲斷面呈起伏的溝壑狀，周圍有大量氧化物，斷面內(nèi)有光滑的斜面，有明顯的撕裂棱，脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征減少；受外熱作用后，斷口形狀不規(guī)則，斷面內(nèi)較平直且顏色較深，脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征減少。

受熱溫度越高，斷口周圍程度越嚴(yán)重，斷面形貌特征由塑性斷裂特征向脆性斷裂特征轉(zhuǎn)變；受外熱的電爐絲較未受外熱的電爐絲斷口形狀變得不規(guī)則，周圍氧化變色痕跡較弱，斷面顏色變暗。

使用掃描電子顯微鏡觀察火場(chǎng)中電爐絲斷面形貌，可以直觀、便捷地鑒別電爐在火災(zāi)前所處的狀態(tài)，是一種有效的鑒定方法。

本實(shí)驗(yàn)使用電子掃描顯微鏡對(duì)不同狀態(tài)下的電爐絲斷面形貌作了定性分析，并發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)律。但是，這是在實(shí)驗(yàn)室中模擬的火場(chǎng)環(huán)境得出的結(jié)論，具有一定的局限性，與真實(shí)的火場(chǎng)還是存在一定的差別。因此，有必要在實(shí)際的火災(zāi)調(diào)查工作中進(jìn)一步驗(yàn)證。若以后此類的火災(zāi)調(diào)查研究中能結(jié)合能譜，不但能直接觀察到電爐絲的斷面形貌特征，而且能測(cè)出電爐絲的成分，保障實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。