关于白炽灯丝断裂问题的浅析

1、.关于白炽灯丝断裂问题的浅析白炽灯在照明工程、照射技术加热枯燥等和科学研究中都有广泛的应用，是最重要的热辐射光源。但由于它的某些缺乏之处，严重地阻碍了其进一步开展和应用，白炽灯寿命短就是其中之一。荧光灯的寿命为10000小时，而白炽灯只有1000小时，仅为荧光灯寿命的110，从而成为关注白炽灯开展状况的学者所重视的焦点问题之一。97年?物理教学?上登载了王广清的?频繁开关白炽灯会影响灯泡寿命吗?及王新智等人的?关于白炽灯丝熔断问题的再讨论?两篇文章均对灯泡寿命问题有所阐述，本人学习思索之余，就白炽灯断丝问题，从金属物理、金属力学。金属化学的角度提出一些见解，供同行参考。一、灯丝的制作金属钨W具

2、有熔点高、蒸发率低，在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、电阻系数大、较易加工成型等优点，故此，现代白炽灯都采用金属钨作为发光体。灯用钨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将钨砂WO3经氢气复原制得金属钨粉，压制成钨条放在氢气炉中直接通电进展烧结烧结温度在3100左右制成钨的金属棒，然后用旋锤机锻造，通过金刚石细孔，屡次拉拔成细丝，并卷曲成螺纹状钨丝。拉制出来的钨丝具有纤维构造，但其温度到11001300，会发生再结晶现象，使纤维构造遭到破坏。当温度到达15001600时，那么晶粒发生长大，使钨变脆，并引起高温下垂。由于实际应用中钨丝的工作温度一般高达2400K2600K以上，为改进钨丝质

3、量，在烧结过程中常加添加剂，如Na2O，K2O，SiO2，ThO等，以改变钨丝的再结晶组织，进步高温抗蠕变才能与钨丝的高温抗下垂能。根据钨丝制作工艺可知，钨丝烧结温度低于熔点，钨原子扩散不很充分，添加剂的使用及钨粉的纯度不可能百分之百的纯洁，就势必造成晶间夹杂，存在成分构造不均匀。又经屡次拉拔，产生过量塑变，使钨丝内部存在大量的空位和位错。虽经退火处理，但位错仍以网状存在于灯丝之中。又钨系体心立方晶格，电子层分布不对称，使原子结合力具有方向性，其位错阻力Peteres应力较大。又晶体本身脆性较大金属的力学性能，对温度急变与应变速度极为敏感，故钨丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。

4、二、灯丝正常发光时，断裂机理的分析1、灯丝的“升华变细机制灯丝在高温下“升华变细的原因主要有两个方面，一个是“水循环破坏作用造成，另一个由钨本身的物理性质蒸气压所致。1灯泡经抽气后，不可能到达绝对真空，不免有残留氧气O和水蒸气H2O吸附在灯丝上，在白炽的情况下发生化学反响。a水蒸气在白炽灯丝上离解为氢和氧b氧和钨反响，能形成易挥发的氧化物，从灯丝上蒸发出来，而沉积在泡壁上。c从灯丝上扩散出来的H与泡壁上的氧化钨进展复原反响这些过程的进展，其结果使钨从灯丝迁移；到泡壁上，而水始终保持恒定，与钨丝不断作用形成“水循环的破坏作用，灯丝就这样变细，又由于“升华的随机性，使钨丝外表变得粗糙甚至带有缺口毛

5、刺，进一步加强了钨丝的脆性敏感，最后变细的灯丝不能承受机械载荷或震动而断裂，或者在部分处因灯丝变细、电阻相对。变大，温度变高，易到达熔点而烧断。2钨丝在高温工作时，蒸发速度大大上升，表1给出了钨在各种温度下的蒸发率和直径为01mm的直线钨丝在真空中工作时的寿命。表1温度TK蒸发率Vgcm2s直径为0.1mm钨丝的寿命Hh201915.510-151.00107220022.410-237.20104240013.810-111.11103260041.710-103.8610280083.310-91.9300010.510-70.15由表中数据可看出当灯丝工作温度从2400K进步到3000K

6、时，蒸发率增加了约7600倍，寿命从1000小时下降不到一小时，由此可见，在高温下钨的蒸发对灯丝寿命的影响非常重要。由于白炽灯丝的不均匀性，当灯丝通电工作时，在钨丝直径较细和螺距较密处的温度较高，钨的蒸发就比其他部分剧烈，这样一来该处的钨丝变得更细，那么温度变得更高，产生恶性循环，最终导致该处灯丝烧毁。2晶体点缺陷对钨丝断裂现象的影响。除钨“升华使钨丝变细机械断裂或热点熔断外，另一影响钨丝寿命的主要因素是点缺陷，其中主要是空位的影响。用电子扫描显微技术观察灯丝，在晶粒外表有黑色的圆形点子，这些点子是空穴而不是实心，而且空穴成线性排列与钨丝轴线大致平行，另外在晶粒内部和晶粒边界处都会观察到空穴，

7、但这种空穴数量往往沿晶粒边界，特别是边界核处要多一些。另外，空位平衡浓度C与温度T的关系呈指数规律变化GAexpukTu为空位形成能由上式可知，灯泡正常发光时T约为2400Kt2600K的空位浓度将增到常温时空位浓度的数十亿倍。1由于高温下，空位在晶界，晶棱等处剧增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于钨的“升华作用，使得存在于钨丝外表附近的空穴暴露出来，形成微裂口，该微裂口一旦产生并扩展，超过它的临界尺寸，钨丝晶间的塑性变形才能便会急剧下降，灯丝变脆，在宏观上表现为脆断。2在研究灯丝烧毁的过程中，发现变细的线圈内空穴数量要多一些，于是认为存在的空穴及其数量的差异可能是造成钨丝工作温度不一致的

8、原因，空位扩散在晶界上形成空洞，并在高温区极大地增大了孔隙率，该处电子导电产生散射作用变大，引起电阻增大，从而使温度进一步升高，该处空位浓度进一步增大，电子散射作用进一步加强，如此恶性循环，使灯丝熔断。一般说来，空位趋向于晶间夹杂处会聚，灯丝缺陷敏感部位，因此实际上存在着灯丝脆断和熔断共存的机制，且这种机制使灯丝断裂的可能性较大。三、频繁开关自炽灯对何丝寿命的影响白炽灯的启动性能好，从对灯施加电压到发出额定光通量为止，只需数百毫秒的时间，图1表示普通照明灯40W，60W的点灭特性。在如此短的点熄灭时间内，其瞬间过渡电流约为额定电流的710倍，通常在数百毫秒到数秒内的燃点熄灭周期内，就大致可使寿

9、命缩短28。1、频繁开关白炽灯，使灯丝出现急冷急热，温度发生反复变化，又由于钨丝内部晶体呈纤维状，表现出各向异性，导致热应力。当热应力超过材料高温下的弹性极限时，将发生部分塑性变形，经过一定的循环次数后，即可能引起热疲劳裂纹，有些裂纹结合起来形成主裂纹。这些区域就成了应力敏感处。另一方面，灯丝的急冷急热，产生热冲击现象。这种热冲击产生的热应力，远远大于灯丝正常发光时的恒定的热应力，而且这种应力以冲击式的高速加在灯丝上，容易在已存在的应力敏感区出现应力集中，使裂纹纵深扩展而导致灯丝点熄连续裂。总而言之，频繁开关白炽灯，电流的冲击作用表现为对灯丝的热冲击与热疲劳，使钨丝内部组织也发生相应变化，使钨

10、丝塑脆转变行为频繁发生，在热冲击应力作用下，某一脆性区断裂的可能性大大进步。2、频繁开关白炽灯，钨丝晶体缺陷对其寿命的影响。四、过饱和空位的影响钨丝内高温形成的空位在急剧冷却的过程中，来不及消失，使空位在低温下“冻结，被“冻结的空位，浓度大大超于正常时的空位浓度。当再次点燃灯丝，在空位浓度大处，对电流的散射作用也大，该处的电阻变大。电阻率差位面。与浓度差位dC成一定比例，如下式L表示钨丝工作时的温度，瓦表示室温。公式说明，灯丝某处电阻的增大，与该处空位浓度有亲密的关系，该处空位浓度大，电阻率就大，该处温度就高。频繁开关，该处“冻结的空位就越多。如此恶性循环，在灯丝夹杂敏感部位处，空位浓度剧增，电阻变大，温度升高，就会造成该处灯丝熔断。2点缺陷运动的影响频繁开关白炽灯造成的热振动和能量起伏给点缺陷带来了迁移的可能性，使空位向位错迁移的倾向加剧，引起位错攀移加剧，并与晶内空洞结合成位错环。位错环在向外扩散过程中，晶内空洞塌陷，空位转移到晶界或灯丝外表，使该处灯丝有效导电截面减少，电阻更大，温度升高，从