从根本上说，加热元件的故障是由于它无法再承载产生热量所需的电流，通常是因为电阻丝断裂。这种断裂最常见的原因是材料降解过程的结合，包括氧化、局部热点形成、晶粒长大引起的脆化、反复循环引起的疲劳以及化学腐蚀。
了解加热元件故障并非预测一个随机事件。它是关于理解一个可预测的材料降解过程，其中操作温度、大气条件和操作周期是元件寿命的主要驱动因素。
材料降解的科学
加热元件的故障几乎总是材料分解漫长过程的最后一步。通过了解这些机制，您可以诊断故障并采取措施预防它们。
氧化：缓慢的燃烧
在高温下，元件合金表面与空气中的氧气发生反应。这个过程，称为氧化，形成一层薄而具有保护性的氧化层。
对于高质量的元件，如镍铬合金（Nichrome）制成的元件，这层氧化层是稳定且自愈的，保护着下面的金属。然而，随着时间的推移和在极端温度下，这个过程会消耗导线的金属横截面，增加其电阻。
热点形成：恶性循环
热点是元件上一个局部区域，其运行温度明显高于周围环境。这是最常见和最具破坏性的故障模式之一。
热点是由局部电阻增加引起的。这可能发生在元件受损、扭结或氧化使导线的一小部分变薄时。
这会形成一个反馈回路：局部电阻越高，产生的热量越多，从而加速该点的氧化，这又进一步使导线变薄并增加电阻。这个循环迅速持续，直到导线在热点处熔化或烧断。
晶粒长大引起的脆化
加热元件由结晶金属合金制成。当在高温下长时间保持时，合金中的单个金属晶粒会合并并长大。
这种晶粒长大会降低材料的内部强度和延展性。元件会变得脆性，尤其是在冷却后。脆性元件非常脆弱，很容易因轻微振动、机械冲击或自身膨胀和收缩的应力而断裂。
腐蚀：化学侵蚀
虽然氧化是与氧气的反应，但腐蚀是来自大气中其他污染物的化学侵蚀。
硫、氯和各种金属蒸汽等物质即使在适中温度下也能强烈侵蚀元件及其保护性氧化层。这会导致快速降解和过早失效，通常远低于元件的额定温度限制。
间歇操作引起的疲劳
每次元件开启和关闭时，它都会经历热膨胀和收缩。这种反复循环给导线带来了机械应力。
这种应力会导致微观裂纹的形成和生长，特别是在保护性氧化层中。这被称为热疲劳。经过数千次循环，这些裂纹会通过元件本身扩展，最终导致断裂。
关键操作因素和陷阱
您操作加热元件的方式对其寿命的影响比几乎任何其他因素都更显著。
温度的双刃剑
操作温度与元件寿命之间的关系是指数级的。温度看似微小的增加可能会使元件的寿命缩短一半或更多。
让元件运行得更热可以提供更快的加热时间，但它会显著加速氧化、晶粒长大和热点风险。
循环（开/关）的影响
对于许多材料而言，在稳定温度下连续运行比频繁的开/关循环压力更小。
如果您的工艺允许，将系统保持在较低的待机温度可能比完全关闭和开启对元件寿命更有利。这最大限度地减少了导致热疲劳的膨胀-收缩应力。
大气层的关键作用
永远不要低估操作环境的影响。肉眼看不见的污染物可能对加热元件造成灾难性的影响。
确保区域没有切削液、清洁剂或可能将腐蚀剂引入大气中的工艺副产品。在污染不可避免的环境中，适当的通风至关重要。
延长元件寿命的积极方法
为了延长加热元件的寿命，请将重点从对故障做出反应转移到主动控制导致故障的条件。
- 如果您的主要目标是最大限度地延长寿命：在仍能达到目标的前提下，以尽可能低的温度运行元件，并确保操作环境清洁且无化学污染物。
- 如果您的主要目标是确保可靠性：选择专门为您的温度范围和大气层设计的元件材料，并仔细考虑连续或间歇操作哪种更适合您的工艺。
- 如果您的主要目标是排除故障：仔细检查损坏的元件以寻找线索。熔化、颈缩的断裂表明存在热点，而干净、脆性的断裂则指向脆化，变色或点蚀可能表明存在腐蚀。
了解元件失效的原因是未来防止失效的第一步，也是最关键的一步。
总结表：
| 故障模式 | 主要原因 | 预防技巧 |
|---|---|---|
| 氧化 | 高温，氧气暴露 | 在较低温度下运行，使用保护性气氛 |
| 热点形成 | 局部电阻增加，损坏 | 避免扭结，确保均匀加热 |
| 脆化 | 长时间受热导致晶粒长大 | 限制高温暴露，冷却时小心处理 |
| 腐蚀 | 化学污染物（例如，硫、氯） | 保持环境清洁，使用耐腐蚀材料 |
| 疲劳 | 反复热循环 | 尽量减少开/关循环，考虑待机模式 |
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