电炉丝断口形貌与受热温度时间关系的研究

 摘 要：本文模拟电炉子正常使用后受火灾作用，获得在不同温度时间条件下的电炉丝试样。通过拉伸试验装置获取断口试样，用扫描电子显微镜观察和记录电炉丝的断口形貌特征。结果表明，在不同温度和不同时间的作用下，电炉丝断口形貌特征有明显不同。随着温度升高，断面形状越不规则，韧窝变浅，韧性降低；在受热900℃以上时，韧窝类型转变，断口呈现出由韧性变为脆性的趋势。在受热600℃到800℃较低的温度之间，受热时间对电炉丝断口形貌影响不大，断口韧性较好；在受热900℃以上高温时，受热的温度越高，断口由韧性转变为脆性所需的受热时间越少。因此，利用扫描电子显微镜观察电炉丝的断口形貌，可以总结出电炉丝断口形貌随受热温度、时间变化的规律，有助于查明火灾原因，为火灾调查提供理论依据。

关键词 电炉丝；断口形貌；受热温度；受热时间

Research of Relationship between the Fracture Topography of Electric Stove Wire and Heated Temperature or Time

Abstract: In this article, the electric stove wire was simulated in normally used condition affected by the fire to make the experimental samples under dissimilar conditions of temperature or time. Get fracture samples through tensile test device, then observe and record the microscopic characteristic by scanning electron microscope. It indicates that the fracture topography is obviously different under the effect of different temperature and time. As heated temperature increases, section shape becomes more irregular, dimples become more shallow and ductility drops. Under the heated temperature of 900 degree centigrade, the dimple type changes and fracture presents a trend from ductility to fragility. Heated time has little effect on the fracture topography and the fracture ductility keeps quite well under the lower temperature from 600 to 800 degree centigrade. Under the heated temperature of 900 degree centigrade or higher, the higher temperature the electric stove wire suffers, the less time the fracture needs to convert from ductility to fragility. Thus the laws of fracture topography of electric stove wire changing with heated temperature or time can be summarized using scanning electron microscope. The laws can contribute to finding out causes of fires and provide fire investigation with basis theoretically.

Keywords electric stove wire; fracture topography; heated temperature; heated time

目 录

摘 要 I
Abstract II
目 录 III

1 前言 1
2 试验部分 3
2.1 试验原理 3
2.2 试验设备 3
2.3 试验材料 3
2.4 试验方法 3
2.4.1 试样制备 3
2.4.2 试样观察 4
2.4.3 试样测量 4
3 试验结果 5
3.1 不同条件下电炉丝低倍观察的断口形貌特征 5
3.1.1 未加热处理电炉丝低倍观察的断口形貌特征 5
3.1.2 相同温度不同时间电炉丝低倍观察的断口形貌特征 5
3.1.3 相同时间不同温度电炉丝低倍观察的断口形貌特征 11
3.2 不同条件下电炉丝高倍观察的断口形貌特征 15
3.2.1未加热处理电炉丝高倍观察的断口形貌特征 15
3.2.2相同温度不同时间电炉丝高倍观察的断口形貌特征 16
3.2.3相同时间不同温度电炉丝高倍观察的断口形貌特征 21
4 分析与讨论 26
4.1 结果分析 26
4.1.1 相同温度不同时间电炉丝的断口形貌特征分析 26
4.1.2 相同时间不同温度电炉丝的断口形貌特征分析 27
4.2 讨论 28
4.2.1 受热温度对电炉丝断口形貌特征的影响 28
4.2.2 受热时间对电炉丝断口形貌特征的影响 29
4.2.3 受热温度与受热时间对电炉丝断口形貌特征影响的比较 29
5 结论 31
参考文献 32
致 谢 34

1 前言

近年来，随着国民经济的发展和科学技术的进步，电热器具已经进入人类日常生活中，并且扮演着越来越重要的角色。作为传统加热器具的电炉子，因其加热迅速、操作简单而受到人们的广泛使用和认可，它在人类的日常生活中占据着重要的位置，给我们生活带来了极大的方便[1]。
电炉子是利用电炉丝直接将电能转化为热能的电热器具，主要由炉架、炉盘和炉丝等组成的，其中电炉丝是电炉的核心部件。在实际情况中，工作状态下的电炉自身处于很高的温度，具有一定的火灾危险性。由于产品的质量问题或者使用不当等原因，电炉经常发生故障或者作为热源引发火灾事故。质量低劣的电炉因相关接头松动，绝缘材料老化、破损龟裂,易造成接触不良、漏电、短路或产生电弧，极易引发火灾。而电炉长时间处于通电状态，电炉周围的物质长时间受热，当温度达到可燃性物质的燃点或自燃点时，易引起可燃物燃烧起火[2]。电炉在通电时引发火灾，电炉丝受火灾热作用其特征会有所变化，而电炉仅受火灾热作用时电炉丝的特征也会有所变化[3]，本课题仅对受火灾热作用下电炉丝的特征变化进行分析，可以有助于查明火灾原因，因此对火场作用下的电炉丝的研究显得尤为重要。
目前，国内对电气火灾原因的主要有六种鉴定技术方法：宏观鉴别法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、微观形貌法、模拟实验法[4]。我国目前主要采用金相分析法对电炉、电熨斗、电热毯等形成的熔痕及导线过载等电气火灾原因进行技术鉴定。基于我国目前对不便制样的微小痕迹（如弧光放电痕迹、金属喷溅痕迹、电子器件痕迹）不能进行金相分析和鉴别的客观实际，沈阳消防科学研究所开展了《从微观形貌鉴别电气火灾原因的方法研究》项目的研究工作，经过两年的试验与研究，建立了电气火灾原因技术鉴定的新方法——微观形貌法，取得一定的成果，现已将此法用于电气火灾原因技术鉴定工作中[5]。
国内的研究院所和专家对受热的加热器件和元件进行了微观形貌分析，上海消防研究所利用扫描电镜及能谱（SEM-EDS）技术研究了通电干烧下加热部件中电阻丝的微观区分特征[6]；武警学院的张辉，邹红利用扫描电子显微镜对电吹风火灾残留物中电热丝的微观形貌进行了观察和分析[7]；临汾消防支队的武巍和西安市消防支队的康乐通过电热毯火灾模拟，利用扫描电子显微镜对通电过热的电热丝进行了观察与分析[8]。
美国、瑞士、前苏联、日本等国家在电气火灾鉴定技术方面已有一定成果。美国通过对火灾中铜导线痕迹特征进行金相分析，对鉴别导线短路痕迹和火烧痕迹的方法进行了研究。瑞士利用表面分析方法,在导线熔痕外表面的成分分析上取得进展。前苏联用X射线衍射的星芒效应鉴别导线的短路熔痕和火烧熔痕，得出了一定的规律。日本在电气火灾调查中根据导线熔痕的特征，发明了石墨化导电鉴别法，以鉴别炭化物的形成根源[9]。利物浦大学及牛津大学教授Derek Hull在《Fractography:Observing,Measuring and Interpreting Fracture Surface Topography》中提到将断口形貌分析技术作为分析工具应用于铝合金失效分析[10]，为研究铁铬铝合金电炉丝的断口形貌提供借鉴。但是对铁铬铝或镍铬合金电炉丝的断口形貌研究较少，不够深入。
从国内外的研究现状来看，目前尚没有对火场作用下电炉丝的直接研究，且对于电炉丝的微观形貌的综合分析研究尚未见报道，对于电炉丝的断口形貌研究较少[11]，不够深入。
本课题通过对电炉丝的断口形貌进行微观分析，总结在不同高温作用下电炉丝微观上的主要形貌特征，并对这几种形貌特征进行比较分析，制作出相应图谱，得出电炉丝的断口形貌随受热温度、时间变化的规律，为火灾调查提供理论依据，也对认定电气火灾的原因及火灾物证鉴定工作有所帮助。

2 试验部分

2.1 试验原理
电炉通电后，电炉丝会升温发热，将电能转化为热能，以达到加热的目的。本试验所研究的电炉丝为铁铬铝合金，其优点是工作温度高，最高工作温度可到1400℃。而外部火源也会使电炉丝处于高温的状态，使其自身的形貌特征发生变化。电炉丝随着受热温度的升高与受热时间的加长，金属内部晶粒逐渐长大，变得粗大[12]，内部组织变得不均匀，塑性降低，待电炉丝加热后冷却至室温时拉断，其断口的形貌特征也会有所差异[13]，故可通过观察分析电炉丝的断口形貌特征，来鉴别其受热过程与条件。
本课题的低倍与高倍观察都是通过扫描电子显微镜来完成[14]，对不同试验条件下得到的电炉丝断口进行不同放大倍数的观察和分析，分析其形貌特征的变化，总结出电炉丝断口形貌受不同条件影响的变化规律。
2.2 试验设备
（1）北京中科科仪技术发展有限公司生产的KYKY2800B型扫描电子显微镜：分辨率为6nm（钨丝）；放大倍数为15～25 000×；加速电压为0～30kV。
（2）杭州蓝天化验仪器厂生产的一体化高温加热箱：炉膛尺寸为30cm×20cm×15cm；额定功率为4 000W；额定电压为220V；最高工作温度：1200℃。
2.3 试验材料
渤海牌电炉子两个：额定电压为220V；额定功率为1500W。
2.4 试验方法
2.4.1 试样制备
（1）在实验室条件下，取两个相同型号的未使用电炉，各通电5小时。然后将电炉丝取出，按十个圆环为标准用钳子截取试样，截出约60个试样。
取出其中3个试样作为空白试样。再取15个试样，以3个为一组，放至5个坩埚，一起放入一体化高温炉，设定温度1000℃，分别在受热10min，15min，20min，25min，30min取出一个坩埚，则1000℃下电炉丝试样制作完毕。然后以同样条件制得600℃，700℃，800℃，900℃的电炉丝试样。
（2）使用拉伸试验装置将电炉丝拉断，妥善保存，用于低倍与高倍观察断面形貌试样。
2.4.2 试样观察
（1）电炉丝断面形貌的低倍观察
将扫描电子显微镜的加速电压设定为20kV，放大倍率选取100×，对已制好的电炉丝断面试样进行观察并记录，分析不同条件下断面微观形貌的特征。
（2）电炉丝断面形貌的高倍观察
将扫描电子显微镜的加速电压设定为20kV，放大倍率选取1000×，对已制好的电炉丝断面试样进行观察并记录，分析不同条件下断面微观形貌的特征。
2.4.3 试样测量
本课题所测量的断口面积、断面收缩率及韧窝平均直径都通过Image-pro plus 6.0软件测得，先使用Irregular AOI圈出所测区域，选择Spatial Cabration获得标尺，再用Count and measure objects测出所需要测得的数据。