热得快电热丝断口形貌与受热温度时间关系的研究

 摘 要：为获得断口形貌随受热温度、时间变化的规律，利用SRJX-4-9箱式电阻炉对热得快进行不同温度、不同时间的加热，用简易拉断装置将电热丝拉断，通过扫描电子显微镜观察不同受热情况下的电热丝断口形貌并拍照记录，并利用Image-Pro Plus软件对断口形貌进行量化处理。结果表明：电热丝拉断断口为杯椎状，纤维区韧窝为等轴韧窝；随着受热温度升高，断口表现出由韧性向脆性转变的特征；当温度大于700℃时，随着受热温度升高、受热时间增长，纤维区所占比例增加，颈缩率减小，温度小于700℃时，规律相反；随着受热温度升高、受热时间增长，韧窝数目减少，面积增大。因此，利用扫描电子显微镜观察分析热得快电热丝断口形貌与温度的关系，为此类火灾物证的鉴定提供技术支持。

关键词 热得快； 电热丝； 断口形貌； 扫描电镜； 受热温度； 受热时间

The Study of the Relationship of the Fracture Appearance of Heating Wire and the Temperatures and Time of Heating

Abstract：To get the relationship of the fracture appearance and the heating temperatures and time, the comprehensive test-bed was used to heat the quick heater at different temperatures and time, the heating wire was snapped and the fracture was observed by the SEM, and then the Image-Pro Plus progress was used to deal with the pictures of the fracture appearance.
The result of the experiment showed that the fracture was cup-cone shaped facture and the dimple on the fiber zone is shaft dimple .When the heating temperatures was higher than 700℃，as heated higher or heated longer, the fiber area became larger and the shear lip zone area became smaller. When the heating temperatures was lower than 700℃，the result was instead. What’s more, when heated higher or heated longer, the number of dimples decreased and the average area of them increased.
Therefore, by using the SEM to analysis the microscopic fracture appearance of the heating wire installed in the quick heater, the methods for identifying the electrical fire was supported.

Keywords quick heater; heating wire; fracture appearance; SEM; heating temperature; heating time

目 录

摘要…………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………Ⅱ
目录…………………………………………………………Ⅲ

1 前言 1
2 实验部分 4
2.1 实验仪器和材料 4
2.1.1 实验仪器 4
2.1.2 实验材料 4
2.2 实验方法 4
2.2.1 样品的制备 4
2.2.2 样品的观察记录 5
2.2.3 数据测量 5
3 实验结果 7
3.1 电热丝低倍断口形貌分析 7
3.1.1 相同受热时间，不同受热温度下低倍断口形貌比较 7
3.1.2 相同受热温度，不同受热时间下低倍断口形貌比较 9
3.1.3 不同加热条件下低倍断口的量化处理 10
3.2 电热丝高倍断口形貌分析 12
3.2.1 相同受热时间，不同受热温度下高倍断口形貌比较 12
3.2.2 相同受热温度，不同受热时间下高倍断口形貌比较 14
3.2.3 不同加热条件下韧窝的量化处理 18
4 分析与讨论 19
4.1 受热温度对断口形貌的影响分析 19
4.2 受热时间对断口形貌的影响分析 22
4.3 受热温度与时间对断口形貌影响的比较 24
5 结论 25
参考文献 26
致谢 27

1前言

热得快是常用的加热电器，主要部件加热螺圈通常是由一种较细的金属管绕制而成，管内装有电热丝，然后灌入氧化镁粉之类的绝缘材料，把电热丝封装固定在管中间，使其不与管壁接触。使用1000W的热得快烧开一壶8磅的水大约需要10分钟，其工作原理是加热螺圈中电热丝的两端分别与电源线相接，通电后，电流从电热丝中通过，电热丝把电能转换成热能后，经绝缘材料由外部金属管壁把热量传递到液体，从而达到加热的目的[1]。热得快正常工作时表面温度大约120℃，在通电过热时表面温度可达到750℃，如果在通电状态下，水烧开后使用者忘记将其与电源切断，当水被烧干后，就很容易地引燃周围的可燃物，从而导致火灾，给人们的生命财产带来极大的灾难[2]。
热得快烧水省时、省水、省电、省力，兼顾了价廉、方便和高效，在一些学校宿舍应用广泛。但是因为产品质量参差不齐，有些热得快质量低劣，加之于使用者不重视，使用不规范，粗心大意加大了火灾发生的可能性。2008年，上海商学院某女生宿舍学生使用热得快不当，引燃周围可燃物，导致了火灾的发生，4名女生情急之下跳楼身亡，引起了广泛的关注；2012年，四川巴中某中学食堂违规使用热得快，加热螺圈引燃塑料桶，导致PE（聚乙烯）燃气管道烧穿，引发燃气泄露并爆燃。
随着国内对热得快引发的火灾重视的增加，对此类加热电器的火灾物证鉴定的研究呈现不断发展的趋势。
目前，国内主要从宏观分析法、金相分析法、SEM微观形貌分析法及能量光谱扩散技术等方面对热得快火灾物证鉴定进行分析和研究，取得了一定的成果[3]。除铜铝导线熔痕性质判定上的有关标准外，对于电热丝的鉴定研究主要集中在火灾前热得快所处状态的判断等方面，例如陆钢、尹义锋、赵兰花的《“热得快”火灾痕迹试验研究》对处于4种不同状态下的热得快从宏观形貌和微观形貌进行比较、观察和分析，同时系统地分析了热得快加热螺圈管套和电热丝表面形貌特征形成的机理和主要影响因素[2]；上海火灾物证鉴定中心顾海昕、张永丰等利用扫描电子显微镜及能量扩散光谱分析技术，建立了热得快样品在不同状态下，加热螺圈管套和电热丝表面的微观特征分析方法[4，5]。此外学院的张辉副教授也一直坚持对加热电器类火灾物证鉴定方法的研究[3，6]，并提出了通过扫描电子显微镜观察热得快电热丝断口形貌的差异，识别热得快在火灾前所处状态的方法，为热得快火灾残留物的鉴定提供了一种新的鉴定依据和技术方法，并已经取得了一定的成果。
在国外，对于热得快的火灾物证鉴定研究相对较少，但对于电气线路在不同破坏条件下的火灾痕迹的判别进行了大量的实验研究。在电气火灾鉴识技术方面，也一直在探索新技术、新方法的应用[7，9]。目前，用于电气火灾物证的鉴别分析技术有[10]：(1)扫描电子显微镜/能谱（SEM/EDS）和金相分析的显微分析法；(2)激光拉曼光谱和X 射线分析法；(3)俄歇电子能谱（AES）、二次离子质谱（SIMS）和化学分析电子光谱（ESCA）分析法。
断口学主要应用在工程实践和理论研究中，主要目的是作为失效分析的重要手段和为断裂微观机理提供依据。断裂断口的形貌、色泽、粗糙程度、裂纹扩展途径等受到材料性质的制约，按照断口表面宏观变形，可将断口分为脆性断口、韧性断口。其中韧性断口从宏观外貌看，一般分为杯椎状、凿峰状和纯剪切断口[11]56-57。塑性金属光滑圆试样的拉伸断口一般为杯锥状，如图1.1所示，该种类型断口表面可大致分为三个区域：纤维区、放射区和剪切唇区。材料韧性不同，各区所占的相对面积大小不同。微观上，当金属在外载作用下产生塑性变形时，会产生滑移分离和韧窝的微观特征，其中空洞聚集形成的韧窝是最主要的韧性断裂微观形貌特征。金属的韧性和硬度随着受热情况的改变而改变，韧性、硬度不同，断口形貌不同，所以可以通过断口形貌观察，判断其受热状态[12]。

图1.1 典型圆形光滑试样的拉伸断口
扫描电子显微镜是断口分析的主要工具，作为一种大型现代化分析仪器，因其具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调等特点，能够对极微小的痕迹样品进行微观形貌观察，是进行样品表面研究的有效分析工具，并已较好地应用在了热得快物证鉴定研究中[13]。利用SRJX-4-9箱式电阻炉，制备不同受热温度、受热时间下的热得快样品，电热丝用简易拉断装置拉断，通过扫描电子显微镜观察不同受热情况下的电热丝的断口形貌特征并拍照记录，利用Image-Pro Plus软件对断口形貌照片进行量化处理，分析总结电热丝的断口形貌随受热温度、受热时间变化的规律，完善现有热得快鉴定技术，为此类火灾的物证鉴定提供技术支持。