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，湖南株洲 412000)

熱得快是一種常用的加熱器具，因為功率大，加熱效率高，給人們的生活帶來很多便利。但是，在使用熱得快的過程中，由于操作不當、質量不合格等原因，由熱得快干燒引起的火災時有發生，造成生命財產的巨大損失。火災發生后，由于火場溫度高、滅火方法等方面的原因可能造成火災物證的破壞，給失火原因的調查工作帶來一定困難［1-2］。而熱得快由于其主要工作部分由外部金屬管和內部電熱絲組成，在火場中通常能較完好地作為物證保留下來［3］。

目前根據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判斷火災前熱得快的通電狀態的主要方法為從宏觀上通過對熱得快進行外觀鑒別和電熱絲金相組織鑒別法［4］。此外，利用電鏡掃描對熱得快外部電熱管的表面特征和微觀形狀等特征進行研究分析，也廣泛應用于火災調查工作中判定熱得快在火災前的通電狀態［5］。

盡管不同使用狀態下熱得快的電熱管在火災后將呈現宏觀和微觀組織特征差異、其內部電熱絲表面也有特征差異，但仍不足以完全準確地判定其火災前的通電狀態。本文以未使用、正常使用、通電過熱三種狀態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，從而為火災發生前熱得快的通電狀態的判定提供一種新的方法和依據。

1 試驗材料及過程

試驗采用某廠家生產的同型號的10個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給出了本試驗所采用的試驗材料及其處理規程:試樣分為A、B、C三組。其中A組為未使用過的熱得快樣品;B組為正常使用過一段時間(30 h)的熱得快樣品;C組為干燒一段時間(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以模擬火災的發生。

表1 試驗材料及處理規程

將試驗獲得的熱得快試樣的電熱絲取出，獲得表1所定義的不同狀態下的電熱絲樣品。用數碼相機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的電熱絲10cm，在拉伸機上以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，同一狀態的試樣重復3次，獲得3個斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2．1 未使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

通過對比，發現同一狀態的3組斷口形貌圖的特征相似，未使用狀態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力方向約呈45°，纖維區的韌窩較深，數量很多，紋理清晰，分布均勻。經高溫外熱處理后，纖維區面積略有減小，集中聚集在中心位置，剪切唇區面積有所增大，但纖維區的韌窩特征與高溫外熱處理前相比沒有明顯變化。未使用狀態下熱得快電熱絲呈典型的韌性斷裂方式［6］。

圖1 未使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

2．2 正常使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

正常使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌如圖2(a)和圖2(b)所示，其中后者經高溫外熱處理，可以看出:兩者斷口纖維區的韌窩數量較多，但深度較淺，紋理不清晰，形狀不規則，且均沒有出現韌性斷裂常見的放射區。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，氧化嚴重，韌窩大小不一，纖維區出現微裂紋(圖2(b)中橢圓內所示區域)，且與剪切唇區的交界區域出現解理斷裂面(圖2(b)中箭頭所指區域)。說明正常使用狀態下熱得快電熱絲的斷裂方式由韌性斷裂向脆性

圖2 正常使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌斷裂過渡。

2．3 干燒過熱狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

干燒過熱狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌如圖3(a)和圖3(b)所示，其中后者經高溫外熱處理，可以看出:兩者斷口特征沒有實質性區別，纖維區出現的韌窩數目極少，深度很淺，沒有放射區，河流狀花樣幾乎占據整個斷面，并出現裂縫(圖3(b)中橢圓內所示區域)。河流狀花樣中大量穿晶斷裂解理面的出現說明干燒過熱狀態下熱得快電熱絲的斷裂方式呈典型的脆性斷裂。

圖3 干燒過熱狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌

2．4 三種不同使用狀態下熱得快電熱絲顯微斷口形貌特征比較

從上述試驗結果可以看出，相同使用狀態的熱得快電熱絲受外熱前后顯微斷口形貌特征變化不大，即一般火場溫度對電熱絲顯微斷口形貌的影響較小，但未使用、正常使用與干燒過熱狀態下電熱絲的顯微斷口形貌特征存在明顯的區別。

未使用狀態下熱得快電熱絲斷口處韌窩較深，數量很多，紋理清晰，分布均勻，屬于典型的韌性斷裂;正常使用狀態下電熱絲的斷口形貌與未使用狀態下相差不大，表面仍存在大量韌窩，但局部出現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;干燒過熱狀態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，并幾乎占據整個斷面，屬于典型的脆性斷裂。

2．5 斷口形貌的影響因素

本文認為:影響3組試驗樣品的斷口形貌的因素主要為溫度和時間。首先，未使用和使用的樣品的斷口形貌存在差別，而熱得快使用過程中工作端全部浸入水中，電熱絲所產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℃，還不足以使材料內部組織發生顯著變化。因此，兩者形貌上的差別原因可能為加熱時間。隨著工作時間的延長晶粒粗化，斷裂方式逐漸向脆性斷裂轉化。其次，正常使用和干燒的試樣斷口形貌上的差別的原因為溫度。干燒時溫度能夠達到800℃以上，電熱絲處于過熱狀態，材料內部的晶粒粗化，晶界氧化、熔化，使得電熱絲的塑性大大降低，其斷裂性質呈現典型的脆性特征［7］。由上可知，電熱絲在水中長期處于130℃以及干燒狀態下其內部組織以及性能會發生一定的變化，從而導致了拉伸斷口形貌上的顯著差異。

3 結論

通過對試驗結果的分析討論，可得到以下結論:(1)相同使用狀態的熱得快電熱絲受外熱前后顯微斷口形貌特征變化不大，即一般火場溫度對電熱絲顯微斷口形貌的影響較小。(2)未使用、正常使用與干燒過熱狀態下電熱絲的顯微斷口形貌特征存在明顯的區別:在未使用狀態下，熱得快電熱絲的斷口韌窩分布均勻，數量很多，深度較深，紋理清晰，呈典型的韌性斷裂特征;在正常使用狀態下，熱得快電熱絲的整個斷口表面仍存在大量韌窩，但局部出現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;在干燒過熱狀態下，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發生之前是否處于干燒過熱狀態的判定依據。

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

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

［3］陸鋼，尹義鋒，趙蘭花．“熱得快”火災痕跡試驗研究［J］．中國安全科學學報，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(物理分冊)，2012，48(2)：95-101．

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

［6］鐘群鵬，趙子華．斷口學［M］．北京：高等教育出版社，2006：131-200．

［7］汪平．火災中受熱銅導線斷面形貌的研究［J］．武警學院學報，2013，29(6)：92-94．