家用小型電爐爐絲斷面形貌分析

周錕

（樂山市消防救援支隊夾江縣大隊，四川 樂山 614100）

本文模擬未使用、正常使用、通電過熱的電爐，并將3 種情況下的電爐絲放入一體化高溫爐內加熱，然后用相同的應力將不同情況下的電爐絲拉斷，獲得其斷面，通過電子掃描顯微鏡觀察電爐絲的斷面形貌，對比分析后找出電爐絲在不同條件下斷面形貌的變化規律。結果表明，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，斷面內有大量等軸韌窩；受外熱作用后，斷面形狀變得不規則，斷面內韌窩尺寸不均勻，呈塑性斷裂特征。正常使用的電爐絲斷面較平坦，斷口形狀較規則，有很淺的拉長型韌窩，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，斷口形狀不規則，塑性斷裂特征減少，脆性斷裂特征增加。通電過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，可以確定電爐絲在不同情況下的斷面特征，鑒別出電爐在火災前的通電狀態。

1 實驗方法

1.1 實驗條件的確定

1.1.1 正常使用時間的確定

全新的電爐，經過每天4 h 的使用，連續使用了13 d，電爐的工作狀況基本達到了穩定。

1.1.2 火燒溫度的確定

電爐絲的材料為鐵鉻鎳合金，正常工作時溫度在1 000 ℃以上，考慮到普通住宅火災火場溫度一般在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加熱時，從室溫上升到800 ℃需要25 min，之后再800 ℃持續30 min。加熱完成后，打開高溫爐自然冷卻。

1.1.3 通電過熱條件的確定

由于實驗條件所限，選取了一種最簡單的通電過熱方法，直接將電爐短接導致其過熱。將銅導線一端連接于電爐絲的一端，將銅導線的另一端連接于整個電爐絲的中間部位，這樣使得只有50%的電爐絲工作，導致其功率翻倍造成過熱。通電過熱時間為10 min，當到達10 min 時，電源插頭處冒出黑煙，緊接著電爐停止工作，發現是銅導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：取一個全新的電爐，截取中部的電爐絲20 cm，為其編號備用。

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

制備正常使用的電爐絲：取一個全新的電爐，放在火災痕跡物證綜合實驗臺上，接通電源正常使用，每天正常工作4 h，累積使用時間為50 h；之后截取中部的電爐絲20 cm，為其編號備用。

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

制備通電過熱的電爐絲：取一個全新的電爐，用一截銅導線將電爐絲的1/2 短接，使其只有1/2 電爐絲接入電路；然后放在火災痕跡物證綜合實驗臺上，接通電源，模擬造成通電過熱狀態；10 min 后斷掉電源，截取中部的電爐絲20 cm，為其編號備用。

制備通電過熱后受外熱作用的電爐絲：取一個全新的電爐，用一截銅導線將整個電爐絲的1/2 短接，使其只有1/2 電爐絲接入電路；然后放在火災痕跡物證綜合實驗臺上，接通電源，模擬造成通電過熱狀態；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加熱，模擬火場溫度為800 ℃，模擬火燒時間為30 min，加熱完成后打開高溫爐自然冷卻，取出后編號備用。

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，拉伸過程中基本保證在相同條件下進行，并經過多次拉伸選取了較為理想的斷面作為下一步實驗的材料。

1.4 電爐絲樣品斷面的觀察

實驗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，將電爐絲從靠近斷面5 cm處截斷，用鑷子將下部彎曲成一個類似三角形的底座，使帶有斷面的一端豎直向上，將其用導電膠固定在樣品杯上，將樣品杯置于樣品臺上，送至樣品室；當樣品室真空度達到標準后，將高壓調至20 kⅤ，調節好亮度、對比度，選取150X、300X、500X、1 000X 共4種放大倍率對樣品的斷面進行觀察分析。

2 實驗結果分析

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力，與主應力呈45°角，剪切唇區表面較光滑；斷口形狀較規則，周圍呈鵝毛絨狀即纖維狀；斷口內纖維區呈現大面積等軸韌窩，韌窩尺寸較深，內壁有滑移分離痕跡，能夠在韌窩的底部發現第二相顆粒。

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，剪切唇區表面有大塊氧化物存在；斷口形狀不規則，斷口內纖維區出現韌窩，韌窩尺寸變化較大，部分區域有較大孔洞；韌窩內壁有蛇形滑移分離痕跡，能夠發現部分韌窩內第二相顆粒存在。

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，剪切唇區域較小且氧化變色嚴重；斷口內纖維區顏色相對較灰暗，出現很淺的拉長型韌窩，整個表面較平整。

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，剪切唇區域不明顯且顏色相對較灰暗；斷口內形狀不規則，纖維區中心較小的一塊區域內出現少量韌窩且尺寸不規則，屬于拉長型韌窩，深度較淺。

2.3 通電過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，剪切唇區域較光滑且氧化變色嚴重，斷口形狀較規則；纖維區內出現溝壑狀，凹凸起伏的斜面較光滑，在很小的一塊區域有韌窩型的小孔，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，剪切唇區較光亮，氧化變色相對較小，斷口形狀不規則；整個纖維區內較平整且顏色相對灰暗，部分區域有類似拉長型韌窩的小孔洞，部分區域較平整光滑。

3 分析與討論

3.1 結果分析

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，斷裂區域內出現韌窩，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，部分區域為氧化后的顏色，斷口處形狀不規則也出現鵝毛狀形態，斷裂區域內有韌窩，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塑性斷裂的特征，并在斷面內存在大量的韌窩。韌窩的形成是由于材料內部存在的第二相粒子或夾雜物在受到外力時周圍堆積的位錯環運動，在材料內部分離形成顯微空洞，在滑移作用下空洞長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則，纖維區內韌窩尺寸不均勻，出現較深的孔洞。

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，整個區域發白、發亮；且斷面較為平整，顏色較深，出現較淺的拉長型韌窩。

受熱后電爐絲斷面有塑性變形，斷口有平直區域也有凹凸不平的區域，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則，斷面區域凹凸起伏較大，顏色變暗，出現少量拉長型韌窩。

3.1.3 通電過熱后電爐絲斷面形貌分析

通電過熱后電爐絲斷面變形嚴重，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，斷口形狀不規則，周圍有大量氧化變色痕跡，變色嚴重；且斷面較平直、顏色很深，部分區域出現很多微孔，部分區域光滑平直。

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

3.1.4 不同狀態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則，周圍氧化變色程度相對較弱[2-3]。

3.2 討論

3.2.1 不同拉伸應力對電爐絲斷面形貌的影響

由于實驗條件限制，實驗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，對同種情況下的電爐絲斷面形貌影響很大。對于呈現塑性斷裂特征的斷口，如果施加過大的拉伸力，速率很快，可能使其呈現出脆性斷裂的特征；同樣，對于呈現脆性斷裂特征的斷口，如果施加的拉伸力過小，速率很慢，則可能出現塑性斷裂的特征。

3.2.2 不同冷卻方式對電爐絲斷面形貌的影響

在火場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。經火場高溫作用后的電爐絲，如果受到水和水蒸氣的作用，會生成氧化物，所以和自然冷卻的電爐絲有明顯的區別。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 不同使用狀態對電爐絲斷面形貌的影響

電爐絲不同狀態的最主要影響因素是受熱時間和受熱溫度，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 不同受熱方式對電爐絲斷面形貌的影響

實驗中，電爐絲受熱的方式主要有電爐絲產生的內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，電流通過電爐絲產生大量的熱量。從未使用電爐絲到正常使用電爐絲，再到過熱使用電爐絲，產生的熱量越來越多，其斷面形貌的變化越明顯；溫度越高氧化越嚴重，斷面顏色越深，斷口周圍的氧化產物越多，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變[5-6]。

電爐絲受外熱作用時，熱量從電爐絲表面向內傳遞。電爐絲的正常工作溫度可以達到1 000 ℃以上，而模擬的火場溫度為800 ℃，通過觀察其斷面形貌特征同對應的受熱前電爐絲基本相同，發生明顯變化的是：3 種狀態下受熱后的電爐絲，斷口形狀不規則，周圍的氧化程度沒有相對應的受熱前的電爐絲氧化程度高，顏色也較暗；3 種狀態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 結論

未使用的電爐絲斷面呈本體材料的灰色，斷面內有大量等軸韌窩，斷口均勻呈塑性斷裂特征；受外熱作用后，斷面變形變得不規則，斷口周圍有大塊的氧化物，顏色變暗，斷面內韌窩尺寸不均勻，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，斷口形狀不規則，塑性斷裂特征減少，脆性斷裂特征增加。

通電過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，斷口形狀不規則，斷面內較平直且顏色較深，脆性斷裂特征明顯，塑性斷裂特征減少。

受熱溫度越高，斷口周圍程度越嚴重，斷面形貌特征由塑性斷裂特征向脆性斷裂特征轉變；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中電爐絲斷面形貌，可以直觀、便捷地鑒別電爐在火災前所處的狀態，是一種有效的鑒定方法。

本實驗使用電子掃描顯微鏡對不同狀態下的電爐絲斷面形貌作了定性分析，并發現了一定規律。但是，這是在實驗室中模擬的火場環境得出的結論，具有一定的局限性，與真實的火場還是存在一定的差別。因此，有必要在實際的火災調查工作中進一步驗證。若以后此類的火災調查研究中能結合能譜，不但能直接觀察到電爐絲的斷面形貌特征，而且能測出電爐絲的成分，保障實驗的準確性。