家用小型电炉炉丝断面形貌分析

周锟

（乐山市消防救援支队夹江县大队，四川 乐山 614100）

本文模拟未使用、正常使用、通电过热的电炉，并将3 种情况下的电炉丝放入一体化高温炉内加热，然后用相同的应力将不同情况下的电炉丝拉断，获得其断面，通过电子扫描显微镜观察电炉丝的断面形貌，对比分析后找出电炉丝在不同条件下断面形貌的变化规律。结果表明，在不同条件下的电炉丝断面形貌存在明显的差别，并有一定变化规律。未使用的电炉丝断面呈本体材料的灰色，断口均匀呈塑性断裂特征，断面内有大量等轴韧窝；受外热作用后，断面形状变得不规则，断面内韧窝尺寸不均匀，呈塑性断裂特征。正常使用的电炉丝断面较平坦，断口形状较规则，有很浅的拉长型韧窝，塑性断裂特征减少，脆性断裂特征增加；受外热作用后，断面颜色变得灰暗，断口形状不规则，塑性断裂特征减少，脆性断裂特征增加。通电过热后的电炉丝断面呈起伏的沟壑状，有明显的撕裂棱，脆性断裂特征明显，塑性断裂特征减少；受外热作用后，断口形状不规则，断面较平直，脆性断裂特征明显，塑性断裂特征减少。因此，利用扫描电子显微镜分析技术，可以确定电炉丝在不同情况下的断面特征，鉴别出电炉在火灾前的通电状态。

1 实验方法

1.1 实验条件的确定

1.1.1 正常使用时间的确定

全新的电炉，经过每天4 h 的使用，连续使用了13 d，电炉的工作状况基本达到了稳定。

1.1.2 火烧温度的确定

电炉丝的材料为铁铬镍合金，正常工作时温度在1 000 ℃以上，考虑到普通住宅火灾火场温度一般在600～1 000 ℃，因此选取800 ℃为受热温度。使用一体化高温炉模拟火场加热时，从室温上升到800 ℃需要25 min，之后再800 ℃持续30 min。加热完成后，打开高温炉自然冷却。

1.1.3 通电过热条件的确定

由于实验条件所限，选取了一种最简单的通电过热方法，直接将电炉短接导致其过热。将铜导线一端连接于电炉丝的一端，将铜导线的另一端连接于整个电炉丝的中间部位，这样使得只有50%的电炉丝工作，导致其功率翻倍造成过热。通电过热时间为10 min，当到达10 min 时，电源插头处冒出黑烟，紧接着电炉停止工作，发现是铜导线和电炉丝的连接处的电炉丝断开。

1.2 电炉丝样品的制备

制备未使用的电炉丝：取一个全新的电炉，截取中部的电炉丝20 cm，为其编号备用。

制备未使用但受外热作用的电炉丝：取一个全新的电炉，截取中部的电炉丝20 cm，放入一体化高温炉内加热，模拟火场温度为800 ℃，模拟火烧时间为30 min，加热完成后打开高温炉自然冷却，取出后编号备用。

制备正常使用的电炉丝：取一个全新的电炉，放在火灾痕迹物证综合实验台上，接通电源正常使用，每天正常工作4 h，累积使用时间为50 h；之后截取中部的电炉丝20 cm，为其编号备用。

制备正常使用后受外热作用的电炉丝：取一个全新的电炉，放在火灾痕迹物证实验台上，接通电源正常使用，每天正常工作4 h，累积使用时间为50 h；之后截取中部的电炉丝20 cm，放入一体化高温炉内加热，模拟火场温度为800 ℃，模拟火烧时间为30 min，加热完成后打开高温炉自然冷却，取出后编号备用[1]。

制备通电过热的电炉丝：取一个全新的电炉，用一截铜导线将电炉丝的1/2 短接，使其只有1/2 电炉丝接入电路；然后放在火灾痕迹物证综合实验台上，接通电源，模拟造成通电过热状态；10 min 后断掉电源，截取中部的电炉丝20 cm，为其编号备用。

制备通电过热后受外热作用的电炉丝：取一个全新的电炉，用一截铜导线将整个电炉丝的1/2 短接，使其只有1/2 电炉丝接入电路；然后放在火灾痕迹物证综合实验台上，接通电源，模拟造成通电过热状态；10 min 后断掉电源，截取中部的电炉丝20 cm，放入一体化高温炉内加热，模拟火场温度为800 ℃，模拟火烧时间为30 min，加热完成后打开高温炉自然冷却，取出后编号备用。

1.3 电炉丝样品断面的获得

用2 只老虎钳夹紧电炉丝的中部，控制2 只老虎钳之间的距离为10 cm。2 人分别紧握1 只老虎钳，用均等的速率向两端拉伸电炉丝直至其断裂。6 组电炉丝均使用此方法获得断面，拉伸过程中基本保证在相同条件下进行，并经过多次拉伸选取了较为理想的断面作为下一步实验的材料。

1.4 电炉丝样品断面的观察

实验选用电子扫描显微镜观察样品断面，首先要制作观察样品。制作样品时，将电炉丝从靠近断面5 cm处截断，用镊子将下部弯曲成一个类似三角形的底座，使带有断面的一端竖直向上，将其用导电胶固定在样品杯上，将样品杯置于样品台上，送至样品室；当样品室真空度达到标准后，将高压调至20 kⅤ，调节好亮度、对比度，选取150X、300X、500X、1 000X 共4种放大倍率对样品的断面进行观察分析。

2 实验结果分析

2.1 未使用的电炉丝断面形貌特征

2.1.1 受热前电炉丝断面形貌特征

受热前电炉丝断口附近有明显的塑性变形，呈杯锥状，锥面平行于最大切应力，与主应力呈45°角，剪切唇区表面较光滑；断口形状较规则，周围呈鹅毛绒状即纤维状；断口内纤维区呈现大面积等轴韧窝，韧窝尺寸较深，内壁有滑移分离痕迹，能够在韧窝的底部发现第二相颗粒。

2.1.2 受热后电炉丝断面形貌特征

受热后电炉丝断口附近有明显的塑性变形，呈杯锥状，剪切唇区表面有大块氧化物存在；断口形状不规则，断口内纤维区出现韧窝，韧窝尺寸变化较大，部分区域有较大孔洞；韧窝内壁有蛇形滑移分离痕迹，能够发现部分韧窝内第二相颗粒存在。

2.2 正常使用的电炉丝断面形貌特征

2.2.1 受热前电炉丝断面形貌特征

受热前电炉丝断口有塑性变形，剪切唇区域较小且氧化变色严重；断口内纤维区颜色相对较灰暗，出现很浅的拉长型韧窝，整个表面较平整。

2.2.2 受热后电炉丝断面形貌特征

受热后电炉丝断口有塑性变形，剪切唇区域不明显且颜色相对较灰暗；断口内形状不规则，纤维区中心较小的一块区域内出现少量韧窝且尺寸不规则，属于拉长型韧窝，深度较浅。

2.3 通电过热后电炉丝断面形貌特征

2.3.1 受热前电炉丝断面形貌特征

受热前电炉丝断口有塑性变形，剪切唇区域较光滑且氧化变色严重，断口形状较规则；纤维区内出现沟壑状，凹凸起伏的斜面较光滑，在很小的一块区域有韧窝型的小孔，有明显的撕裂棱。

2.3.2 受热后电炉丝断面形貌特征

受热后电炉丝断口有塑性变形，剪切唇区较光亮，氧化变色相对较小，断口形状不规则；整个纤维区内较平整且颜色相对灰暗，部分区域有类似拉长型韧窝的小孔洞，部分区域较平整光滑。

3 分析与讨论

3.1 结果分析

3.1.1 未使用的

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