1、不同受熱溫度下一次短路熔痕顯微特征分析    摘 要 本實驗利用電焊機使裸導(dǎo)線發(fā)生短路，得到一次短路熔珠，利用箱式電阻爐模擬室內(nèi)火災(zāi)的熱環(huán)境，通過觀察火災(zāi)現(xiàn)場的溫度、持續(xù)時間對不同線徑銅導(dǎo)線發(fā)生短路時產(chǎn)生的一次短路熔珠的金相組織及外觀的影響，與國家標準（電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法GB16840.1-1997）比對，發(fā)現(xiàn)國家標準未做出詳細說明的不同受熱溫度下一次短路熔痕的顯微特征。實驗結(jié)果表明：火災(zāi)現(xiàn)場的溫度及火災(zāi)持續(xù)時間對銅導(dǎo)線一次短路熔痕的金相組織有一定的影響，其中，溫度對不同線徑銅導(dǎo)線的一次短路熔珠影響稍有不同，由于不同線徑銅導(dǎo)線發(fā)生再結(jié)晶溫度不同，所

2、以出現(xiàn)大晶粒的溫度不同。但總的變化規(guī)律是：隨著溫度的升高，時間的增加，在達到某一溫度后，發(fā)生再結(jié)晶，細小的柱狀晶逐漸長大，一次短路熔珠的細小晶粒變成粗大的柱狀晶或胞狀晶，有的甚至表現(xiàn)為等軸晶，與銅導(dǎo)線的火燒熔痕的金相組織特征有些相似。為了準確地反映火災(zāi)的真實情況，在鑒定過程中，應(yīng)盡量參考現(xiàn)場勘查所獲取的線索，避免僅以金相鑒定結(jié)果直接判定火災(zāi)原因。 關(guān)鍵詞 一次短路熔痕；金相組織；銅導(dǎo)線 Abstract In this experiment, primary short circuited melted beads were made and heated in a simulating fi

3、re scene. The factor that influence the crystal structure of the bead were discussed. Comparing the crystal structure of the bead with the description of the crystal structure of the primary short circuited melted bead in the nation criterion Technical determination methods for electrical fire cause

4、GB 16840.1-1997, some different characteristics caused by heating after the beads formed were found. The result of experiment shows: the temperature and duration have tempered withthe crystal structure of the primary short circuited melted bead, and the recrystal temperature of different diameter co

5、pper wires is different, so the temperature is not the same that appear bulky crystal. But the total change regulation is: with the increase of the temperature and prolong of the heating time, recystal occur when temperature arrived at a certain point and exiguous cylindrical crystal gradually grew

6、up and turned to bulky cylindrical crystal or afterbirth-like crystal even isometric crystal that used to be founded in the melted bead caused by merely by heat. In order to reflect the fact of fire scene, we should avoid determining the fire cause by metallographic appraisal result only. Keywords p

7、rimary short circuited melted mark; the form of metallographic; copper lead 1 前言 近年來，隨著高層建筑的大量興建和城鄉(xiāng)人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，以技術(shù)密集和社會財富的高度集中為特征的現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，電器設(shè)備的應(yīng)用已深入到社會的各個角落。由電器設(shè)備、電氣線路故障或使用不當而引起的火災(zāi)次數(shù)越來越多，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失逐年呈上升趨勢1?；馂?zāi)統(tǒng)計顯示，社會越發(fā)展，電氣化程度越高，發(fā)生電氣火災(zāi)的可能性就越大。因電氣設(shè)備故障，線路安裝使用不當和違反用電安全規(guī)定引起的火災(zāi)，大約能占火災(zāi)總數(shù)的1/42。 短路是

8、電氣設(shè)備最嚴重的一種故障狀態(tài)，主要原因是導(dǎo)線絕緣破壞后，相線之間，相線與中性線或保護線（PE）之間電阻很小的情況下相碰產(chǎn)生短路1。整個電路電流會突然增大，在短路點或?qū)Ь€連接松動的接頭處同時產(chǎn)生電弧或火花。電弧溫度可達6000 以上3，在極短時間內(nèi)發(fā)出的熱量，不但可使金屬熔化，引燃本身的絕緣材料，還可將其附近的可燃材料、蒸汽和粉塵引燃造成火災(zāi)。 短路熔痕是由電流的作用而產(chǎn)生的熔痕。一次熔痕是火災(zāi)前因本身故障短路而形成的熔痕。二次熔痕是由于火災(zāi)作用導(dǎo)線發(fā)生短路而形成的熔痕4。準確鑒別短路發(fā)生的時間，即判定短路熔痕是一次短路熔痕還是二次短路熔痕，對查明火災(zāi)原因，核定火災(zāi)損失，認定火災(zāi)責任有很重要的意

9、義。對導(dǎo)線熔痕目前用宏觀法、部分剩磁法、成分分析法、金相分析法加以鑒定5。 目前，國內(nèi)對短路熔痕的研究較多，也比較有深度，無論是熔痕的外觀形貌，微觀形貌還是銅鋁導(dǎo)線的金相組織分析，并形成了“電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法”，該方法認為一次短路熔痕與火災(zāi)原因有必然的聯(lián)系。但國外的研究認為一次短路熔痕形成后受火災(zāi)的影響很大，火場中的一次短路與火災(zāi)原因沒有必然的聯(lián)系68。 國內(nèi)外對電氣火災(zāi)原因及對各種熔痕的分析都有很多很寬泛的研究，但是由于火災(zāi)現(xiàn)場的復(fù)雜性、多變性，導(dǎo)線痕跡的金相組織受火場溫度、持續(xù)時間以及消防射水的影響很大，從而影響火災(zāi)調(diào)查人員的準確認定。本文通過模擬火災(zāi)現(xiàn)場的熱環(huán)境，利用金相顯微鏡觀察

10、受熱作用后的一次短路熔珠的顯微特征并觀察其外觀形貌，從而考查火場溫度及持續(xù)時間對一次短路熔痕的影響。比對國家標準（GB 16840.41997），找出國家標準未作詳細說明的特征，以及火場環(huán)境因素對一次短路熔痕的影響規(guī)律，從而為火災(zāi)調(diào)查工作提供便利。 2 實驗部分 2.1 實驗設(shè)備與材料 電焊機；SRJX-4-9型箱式電阻爐；P-2金相試樣拋光機；XJG-05大型金相顯微鏡；SONY體式顯微鏡；海鷗DF300照相機，海鷗611型黑白放大機。 金相砂紙（320號、400號、600號、800號），高反差黑白相紙（3號）。 牙托粉，自凝牙托水，顯影粉（D-72,D-76），酸性定影粉。  &

11、#160;       單芯聚氯乙烯銅導(dǎo)線3 mm2 、2.5 mm2。 FeCl3；HCl；乙醇。 2.2 實驗過程 2.2.1 一次短路熔珠的制備及處理 將不同線徑銅導(dǎo)線分別剪成20 cm長的若干節(jié)，去掉兩端絕緣皮。利用電焊機使銅導(dǎo)線發(fā)生短路，電焊機一端接一塊長50 cm寬10 cm 的銅板，其另一端夾住已去掉絕緣皮的銅導(dǎo)線的裸線部分，調(diào)節(jié)電焊機電流（電焊機電流分為60 A、80 A、100 A、120 A、140 A、160 A六檔），接通電源，使銅導(dǎo)線與銅板接觸，產(chǎn)生一次短路熔珠。利用箱式電阻爐模擬火災(zāi)現(xiàn)場熱環(huán)境，使熔珠在不同

12、溫度下加熱不同時間，之后用體式顯微鏡對熔珠的外觀進行拍照。樣品編號見表2.12.2。 實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當其他條件不變時，不同線徑的銅導(dǎo)線短路時能出現(xiàn)熔珠的短路電流也不相同，導(dǎo)線越粗，短路電流越大，如2.5 mm2 銅導(dǎo)線，當短路電流大于100 A時，能出現(xiàn)熔珠；而4 mm2銅導(dǎo)線，短路電流為140 A時，只有當其它條件也符合時，才能在導(dǎo)線一端留有熔珠。 2.2.2 金相試樣的制備、觀察、拍照及照片沖洗 制好的熔珠經(jīng)提取、鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕后在金相顯微鏡下觀察、拍照并洗出照片。 表 2.13 mm2銅導(dǎo)線（電焊機電流120 A 電壓220 V） 受熱溫度 持續(xù)時間 300 400 500 6

13、00 700 800 900 10 min 1-2 2-2 3-2 4-2 5-2 6-2 7-2 30 min 1-3 2-3 3-3 4-3 5-3 6-3 7-3 1 h 1-4 2-4 3-4 4-4 5-4 6-4 7-4 1 h30 min 1-5 2-5 3-5 4-5 5-5 6-5 7-5 2 h 1-6 2-6 3-6 4-6 5-6 6-6 7-6 表 2.22.5 mm2銅導(dǎo)線（電焊機電流120 A 電壓220 V） 受熱溫度 持續(xù)時間 300 400 500 600 700 800 900 10 min 1-2# 2-2# 3-2# 4-2# 5-2# 6-2# 7-

14、2# 30 min 1-3# 2-3# 3-3# 4-3# 5-3# 6-3# 7-3# 1 h 1-4# 2-4# 3-4# 4-4# 5-4# 6-4# 7-4# 1 h30 min 1-5# 2-5# 3-5# 4-5# 5-5# 6-5# 7-5# 2 h 1-6# 2-6# 3-6# 4-6# 5-6# 6-6# 7-6# 2.2.2.1 鑲嵌、研磨、拋光 用快速自凝牙托水（甲基丙稀酸甲酯）和自凝牙托粉鑲嵌法鑲嵌。用320號、400號、600號、800號金相砂紙對試樣分別進行粗磨、細磨，每換一次砂紙時，試樣均須轉(zhuǎn)90°與舊磨痕成垂直方向，向一個方向磨至舊磨痕完全消失，新磨痕

15、均勻一致時為止5。經(jīng)細磨后的試樣，移到裝有天鵝絨的拋光機上進行拋光。磨盤直徑為200 mm ，轉(zhuǎn)速為1350 r/min，拋光粉用細氧化鋁粉。 2.2.2.2 浸蝕 浸蝕原理：化學(xué)浸蝕是試樣表面化學(xué)溶解或電化學(xué)的溶解過程。純金屬的顯微組織是由許多晶粒組成的，晶粒之間存在著晶界。當把拋光后的試樣與浸蝕試劑接觸時，拋光面上殘留的變形層被溶解掉，緊接著就是真實組織開始浸蝕顯現(xiàn)。晶界與晶粒不同，晶界原子排列的規(guī)則性差，自由能高，因而快速地被腐蝕掉，形成溝槽，晶粒本身浸蝕輕微9。 銅導(dǎo)線所用化學(xué)浸蝕劑配比如下： Fecl3 5 g； Hcl 50 ml； H2O100 ml。 浸蝕時間：3 s-1 mi

16、n 2.2.2.3 照相、洗相 把照相機連接到金相顯微鏡上，為觀察到的試樣的金相組織照相，曝光時間為1/4 s. 在室溫條件下沖洗底片，顯影時間為3 min40 s，定影時間一般為10 min。在放大機上印放照片，調(diào)節(jié)放大機的光圈，光圈數(shù)為8，底片密度適中的曝光時間為8 s ；基本顯影時間為2-3 min，定影15 min，再把照片放在流水下沖洗15 min。 3 實驗結(jié)果 3.1 一次短路熔珠特征 3.1.1 表面特征 熔珠的大小一般是線徑的1.52.5倍，有些小熔珠還不足1.5倍。熔珠的狀態(tài)也不盡一致。有的較大且凝結(jié)在導(dǎo)線端的正當中，有的歪在線端的一側(cè)。一次短路熔珠與導(dǎo)線銜接處有較明顯的界

17、限，熔珠表面有光澤。如圖3.1。 圖3.1 一次短路熔珠 熔珠的形成和短路電流的大小、接觸程度、短路時間等有關(guān)，一般來講，短路時釋放的熱能多，形成的熔珠也大10。但有時短路瞬間由于導(dǎo)線迅速由固態(tài)變成氣態(tài)，產(chǎn)生的爆發(fā)力會將熔化金屬四處崩濺，很難形成規(guī)整的圓形熔痕。 3.1.2 金相組織特征 圖3.2 一次短路熔痕顯微特征 一次短路熔痕結(jié)晶時的環(huán)境溫度為正常氣溫，冷卻速度快，過冷度也就大，因此一次短路熔痕的顯微組織以細小的柱狀晶或胞狀晶為主；內(nèi)部氣孔少而小（雖然一次短路熔痕形成時的環(huán)境溫度低，冷卻速度快，凝固過程短，但由于它是在燃燒產(chǎn)物、水蒸氣等少的環(huán)境中形成的，所以一次短路熔痕內(nèi)部的氣孔總是又少又?。灰淮味搪啡酆蹥饪字車–u Cu2O）共晶體較少，不太明顯，這是由于一次短路熔痕是在正常環(huán)境下形成的，外界環(huán)境溫度低，冷卻速度快，過冷度大，凝固時間短及空氣中的水蒸氣少，故氧氣的溶解量少，還沒來得及與銅充分反應(yīng)產(chǎn)生Cu2O，就被析出組織之外，所以一次短路熔痕氣孔周圍生成的（Cu Cu2O）共晶體很少9。 3.2 受熱后一次短路熔珠特征 3.2.1 表面特征 加熱后表面有一層氧化物生成，而且極易脫落，溫度越高，時間越長，越易生成氧化物。氧化物脫落后，導(dǎo)線表面有金屬光澤，如圖3.33.4。 圖3.3試樣3-2#圖3.4 試