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 未使用的电炉丝断面形貌分析

未使用的电炉丝断面附近塑性变形大、断口凹凸不平，断面为本体材料的颜色呈灰色，断口有鹅毛绒状物质，断裂区域内出现韧窝，有撕裂状的棱和微孔。

受热后电炉丝断面附近塑性变形大、断口凹凸不平，断面基本为灰色，部分区域为氧化后的颜色，断口处形状不规则也出现鹅毛状形态，断裂区域内有韧窝，大小变化明显，有撕裂状的棱和微孔。

分析微观形貌特征可知，2 种情况下的电炉丝断裂均呈现塑性断裂的特征，并在断面内存在大量的韧窝。韧窝的形成是由于材料内部存在的第二相粒子或夹杂物在受到外力时周围堆积的位错环运动，在材料内部分离形成显微空洞，在滑移作用下空洞长大并与其他空洞连接在一起，在韧窝的底部可以看到第二相粒子。但由于外热的作用，受热后的电炉丝断口形状变得不规则，纤维区内韧窝尺寸不均匀，出现较深的孔洞。

3.1.2 正常使用的电炉丝断面形貌分析

正常使用的电炉丝断面有塑性变形，断口比较平直，断面周围有明显的氧化变色痕迹，整个区域发白、发亮；且断面较为平整，颜色较深，出现较浅的拉长型韧窝。

受热后电炉丝断面有塑性变形，断口有平直区域也有凹凸不平的区域，断面周围有不多的氧化变亮的痕迹；且断面颜色较深，夹杂有深度很浅的拉长型韧窝及孔洞。

从微观形貌特征分析，2 种情况下的电炉丝由于断裂面的增大，呈现出一些脆性断裂的特征，但更偏向于塑性断裂的特征。同正常使用的电炉丝相比，受热后的电炉丝断口形状不规则，断面区域凹凸起伏较大，颜色变暗，出现少量拉长型韧窝。

3.1.3 通电过热后电炉丝断面形貌分析

通电过热后电炉丝断面变形严重，断口凹凸不平，断面周围有大量的氧化变色痕迹；且断面内呈沟壑状，断面颜色很深，起伏的斜面上较光滑，有明显的撕裂棱。

受热后电炉丝断面塑性变形较小，断口形状不规则，周围有大量氧化变色痕迹，变色严重；且断面较平直、颜色很深，部分区域出现很多微孔，部分区域光滑平直。

分析微观形貌可知，由于通电过热后电炉丝断裂面变得很大，因此呈现出较多的脆性断裂特征，同时也有塑性断裂的特征。同通电过热后电炉丝的断口相比，受热后的电炉丝断口形状不规则，断面区域内较平直，颜色很暗。

3.1.4 不同状态下未受热的电炉丝断面形貌分析

未使用的电炉丝断面呈塑性断裂特征；正常使用的电炉丝断面塑性断裂特征较少，脆性断裂特征增加；通电过热后电炉丝断面脆性断裂特征明显，塑性断裂特征较弱。3 种未受热情况下的电炉丝断面颜色依次加深，塑性变形程度依次减少，脆性变形的特征依次增加；断口周围氧化程度、光亮程度依次加深。

3.1.5 不同状态下受热后电炉丝断面形貌分析

未使用的电炉丝受热后断面呈塑性断裂特征；正常使用的电炉丝受热后断面塑性断裂特征较少，脆性断裂特征增加；通电过热后的电炉丝受热后断面脆性断裂特征明显，塑性断裂特征较弱。

3 种情况下的电炉丝断面颜色逐个加深，塑性变形程度依次减少，脆性变形的特征依次增加；断面周围的氧化程度、夹杂物颜色、光亮程度依次加深。同受热前的电炉丝断面相比，受热后的电炉丝断口形状均变得不规则，周围氧化变色程度相对较弱[2-3]。

3.2 讨论

3.2.1 不同拉伸应力对电炉丝断面形貌的影响

由于实验条件限制，实验中获得的断面是用老虎钳拉断，因此并不能保证每次拉伸的速率相同。速率不同，对同种情况下的电炉丝断面形貌影响很大。对于呈现塑性断裂特征的断口，如果施加过大的拉伸力，速率很快，可能使其呈现出脆性断裂的特征；同样，对于呈现脆性断裂特征的断口，如果施加的拉伸力过小，速率很慢，则可能出现塑性断裂的特征。

3.2.2 不同冷却方式对电炉丝断面形貌的影响

在火场上最主要的冷却方式是水冷却和自然冷却，这2 种冷却方式直接影响着电炉丝的断面形貌特征。经火场高温作用后的电炉丝，如果受到水和水蒸气的作用，会生成氧化物，所以和自然冷却的电炉丝有明显的区别。放于空气中自然冷却的电炉丝，其断口周围的氧化更加剧烈。

3.2.3 不同使用状态对电炉丝断面形貌的影响

电炉丝不同状态的最主要影响因素是受热时间和受热温度，这2 种因素直接影响着电炉丝的断面形貌特征。

从未使用电炉丝到正常使用电炉丝，再到过热使用电炉丝，它们的受热温度依次升高，断面上的各部分受高温氧化、变形、变色的现象越明显，其断面形貌的特征变化越明显，从保持原貌的塑性断裂特征逐步变化为脆性断裂特征[4]。

3.2.4 不同受热方式对电炉丝断面形貌的影响

实验中，电炉丝受热的方式主要有电炉丝产生的内热作用和一体化高温炉的外热作用。由于受热方式的不同，电炉丝的断面形貌特征也不同。

电炉丝通电工作时，电流通过电炉丝产生大量的热量。从未使用电炉丝到正常使用电炉丝，再到过热使用电炉丝，产生的热量越来越多，其断面形貌的变化越明显；温度越高氧化越严重，断面颜色越深，断口周围的氧化产物越多，颜色越亮；断面形貌从塑性断裂的特征向脆性断裂的特征转变[5-6]。

电炉丝受外热作用时，热量从电炉丝表面向内传递。电炉丝的正常工作温度可以达到1 000 ℃以上，而模拟的火场温度为800 ℃，通过观察其断面形貌特征同对应的受热前电炉丝基本相同，发生明显变化的是：3 种状态下受热后的电炉丝，断口形状不规则，周围的氧化程度没有相对应的受热前的电炉丝氧化程度高，颜色也较暗；3 种状态下受热后的电炉丝氧化程度依次升高，断口周围氧化物增多，颜色变亮；断面形貌也从塑性断裂的特征向脆性断裂的特征变化。

4 结论

未使用的电炉丝断面呈本体材料的灰色，断面内有大量等轴韧窝，断口均匀呈塑性断裂特征；受外热作用后，断面变形变得不规则，断口周围有大块的氧化物，颜色变暗，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，周围氧化物很多，断口形状较规则，塑性断裂特征较少，脆性断裂特征增加；受外热作用后，断面颜色变得很暗，断口形状不规则，塑性断裂特征减少，脆性断裂特征增加。

通电过热后电炉丝断面呈起伏的沟壑状，周围有大量氧化物，断面内有光滑的斜面，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，断面内较平直且颜色较深，脆性断裂特征明显，塑性断裂特征减少。

受热温度越高，断口周围程度越严重，断面形貌特征由塑性断裂特征向脆性断裂特征转变；受外热的电炉丝较未受外热的电炉丝断口形状变得不规则，周围氧化变色痕迹较弱，断面颜色变暗。

使用扫描电子显微镜观察火场中电炉丝断面形貌，可以直观、便捷地鉴别电炉在火灾前所处的状态，是一种有效的鉴定方法。

本实验使用电子扫描显微镜对不同状态下的电炉丝断面形貌作了定性分析，并发现了一定规律。但是，这是在实验室中模拟的火场环境得出的结论，具有一定的局限性，与真实的火场还是存在一定的差别。因此，有必要在实际的火灾调查工作中进一步验证。若以后此类的火灾调查研究中能结合能谱，不但能直接观察到电炉丝的断面形貌特征，而且能测出电炉丝的成分，保障实验的准确性。