電氣火災(zāi)中銅導(dǎo)線(xiàn)熔痕的微觀(guān)特征

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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省分析測(cè)試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014； 2. 香港城市大學(xué)物理及材料科學(xué)系，香港 999077)

0 引 言

電氣火災(zāi)是火災(zāi)案例中的重要類(lèi)別，年均發(fā)生次數(shù)占火災(zāi)總次數(shù)的28%，年均因電氣火災(zāi)造成的損失約占總損失的36%；且電氣火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)，隱蔽性大，難控難防，嚴(yán)重危害國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全[1-2]。近年來(lái)重特大電氣火災(zāi)事故頻發(fā)，造成不良的社會(huì)影響[3]。電氣火災(zāi)原因的鑒定是消防、保險(xiǎn)等機(jī)構(gòu)非常關(guān)注且長(zhǎng)期研究的課題[4]。由于法制意識(shí)的增強(qiáng)及火災(zāi)案件本身所牽涉的關(guān)系越來(lái)越多，索賠、訴訟等維權(quán)行為日益增多，科學(xué)、準(zhǔn)確地認(rèn)定火災(zāi)原因已是必需的程序。

我國(guó)在電氣火災(zāi)痕跡鑒定領(lǐng)域制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的鑒定方法主要有宏觀(guān)法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、掃描電子顯微鏡(SEM)微觀(guān)形貌分析法、模擬試驗(yàn)法等，其中宏觀(guān)法和金相分析法是常用的相對(duì)可靠的2種方法，但其應(yīng)用受到環(huán)境和樣品條件的限制。2013年實(shí)施的GB/T 16840.6-2012《電氣火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第6部分：SEM微觀(guān)形貌分析法》在一定程度上彌補(bǔ)了單一金相分析法的缺憾，但是這種方法對(duì)熔痕鑒定判據(jù)只做了定性的描述，且沒(méi)有提供對(duì)照?qǐng)D譜；應(yīng)用該法開(kāi)展鑒定工作主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?；馂?zāi)熔痕技術(shù)鑒定工作屬于交叉小眾學(xué)科，之前一直由公安消防內(nèi)部機(jī)構(gòu)承擔(dān)，行業(yè)間交流不夠充分。目前，越來(lái)越多的社會(huì)第三方司法機(jī)構(gòu)參與此項(xiàng)鑒定工作，這就需要對(duì)電氣火災(zāi)熔痕特征進(jìn)行總結(jié)和分析，并給出相應(yīng)的對(duì)照?qǐng)D譜。為此，作者通過(guò)模擬試驗(yàn)制備了銅導(dǎo)線(xiàn)火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，觀(guān)察了熔痕的微觀(guān)形貌并總結(jié)了其特征。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為山東綠燈行電纜有限公司生產(chǎn)的截面積為2.5 mm2的多股聚氯乙烯絕緣銅導(dǎo)線(xiàn)。

將銅導(dǎo)線(xiàn)放入人為點(diǎn)燃的木垛中，經(jīng)燃燒、熄滅、冷卻形成火燒熔痕。將20 cm長(zhǎng)銅導(dǎo)線(xiàn)兩端去掉絕緣皮，一端接在BX1-315型電焊機(jī)的電把子上，接通電源后另一端直接點(diǎn)擊接地金屬，產(chǎn)生高溫電弧使銅導(dǎo)線(xiàn)熔化，冷卻后形成一次短路熔痕。取兩根20 cm長(zhǎng)的銅導(dǎo)線(xiàn)，將每根銅導(dǎo)線(xiàn)帶絕緣皮的一端擰在一起，另一端均去掉2 cm長(zhǎng)絕緣皮以露出芯線(xiàn)，分別接在電焊機(jī)的正負(fù)極上，接通電源，因絕緣皮的作用線(xiàn)路處于斷路狀態(tài)；用汽油噴燈的外焰點(diǎn)燃擰在一起的銅導(dǎo)線(xiàn)部分，使絕緣皮失去絕緣作用，兩根導(dǎo)線(xiàn)突然短路產(chǎn)生電弧，形成二次短路熔痕。

把模擬制備的一次短路熔痕置于SX2-4-13型箱式電阻爐內(nèi)，加熱到600 ℃保溫30 min，模擬火場(chǎng)高溫作用。

1.2 試驗(yàn)方法

用酒精清洗試樣表面，將熔痕與基體沿二者的銜接處掰開(kāi)，在SUPRA型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀(guān)察熔痕斷口形貌；熔痕斷口經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，用Axio Observer.A1m型光學(xué)顯微鏡(OM)觀(guān)察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火燒熔痕的微觀(guān)形貌

由圖1可見(jiàn)，火燒熔痕斷口上基本沒(méi)有孔洞。在火災(zāi)環(huán)境中形成熔化痕跡時(shí)，在從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中晶核有一個(gè)形成與長(zhǎng)大的階段，銅充分地吸收了周?chē)难鯕舛l(fā)生氧化還原反應(yīng)，大部分的氣體逸出；同時(shí)，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度較高，冷卻相對(duì)緩慢，凝固過(guò)程較長(zhǎng)，氣體的溶解時(shí)間較充分。因此，火燒熔痕呈現(xiàn)上述微觀(guān)形貌特征[5]。

圖1 銅導(dǎo)線(xiàn)火燒熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.1 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of fire melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

2.2 一次短路熔痕的微觀(guān)形貌

由圖2可見(jiàn)：銅導(dǎo)線(xiàn)一次短路熔痕斷口上存在明顯的樹(shù)枝晶、柱狀晶和共析組織；斷口上的孔洞均勻、細(xì)密，形狀為圓或橢圓形,其中能觀(guān)察到底部的孔洞是氣孔，形狀不太規(guī)則且看起來(lái)象中空的孔洞是縮孔[6]，放大后可以看到斷口呈拋物線(xiàn)型卵形花樣。

在由短路造成的火災(zāi)中，一次短路熔痕在形成以后可能會(huì)受到火場(chǎng)高溫的影響。在正常環(huán)境下的一次短路熔痕和高溫作用后的一次短路熔痕在微觀(guān)形貌上是否有區(qū)別，是電氣火災(zāi)原因鑒定中值得研究的問(wèn)題。由圖3可見(jiàn)：經(jīng)600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕斷口仍呈拋物線(xiàn)型卵形花樣，孔洞均勻、細(xì)密；孔壁光滑，粗糙紋跡甚少，孔洞底部有裂紋，且有的孔洞壁上形成了顆粒狀晶體。從組織形態(tài)上看，經(jīng)600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕中仍存在明顯的樹(shù)枝晶、柱狀晶和共析組織。綜上，經(jīng)600 ℃高溫作用后一次短路熔痕的特征與在正常環(huán)境下的相似。

在液態(tài)銅的凝固結(jié)晶過(guò)程中，如果冷卻速率足夠慢，大部分溶解的氣體會(huì)排出；反之，則有較多的氣體滯留在內(nèi)部而形成氣孔。一次短路環(huán)境中產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物、水蒸氣等物質(zhì)的含量較少，熔珠純度高，因此一次短路熔痕內(nèi)部氣孔形成時(shí)受雜質(zhì)的影響小，所得氣孔均勻細(xì)密、比較規(guī)則。

圖2 銅導(dǎo)線(xiàn)一次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.2 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of primary short circuited melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

圖3 600 ℃保溫30 min后一次短路熔痕的斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of primary short circuited melted mark after holding at 600 ℃ for 30 min:(a) oval pattern and (b) granular crystal

圖4 銅導(dǎo)線(xiàn)二次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.4 OM (a) and SEM (b-d) morphology of fracture of secondary short circuited melted mark of copper wire: (b) at low magnification;(c) at high magnification, view 1 and (d) at high magnification, view 2

2.3 二次短路熔痕的微觀(guān)形貌

由圖4可知：銅導(dǎo)線(xiàn)二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內(nèi)表面上存在小的孔洞，斷口呈蜂窩狀花樣；放大后可見(jiàn)孔洞底部存在平行的條形花紋，內(nèi)壁上有小的縮孔、卵石狀顆粒和灰塵。從組織形態(tài)上看，二次短路熔痕中存在明顯的亞結(jié)構(gòu)即胞狀晶。

二次短路熔痕是通過(guò)模擬火災(zāi)環(huán)境而得到的?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度較高，銅液的冷卻速率慢、凝固過(guò)程長(zhǎng)，逸出的氣體相對(duì)較多;但火災(zāi)環(huán)境中存在的大量灰塵、雜質(zhì)、各種燃燒產(chǎn)物以及水蒸氣也會(huì)同時(shí)進(jìn)入純銅液中。因此，二次短路熔痕中的氣孔又大又多。

液態(tài)金屬在凝固前后會(huì)發(fā)生體積變化，體積收縮率為3%～5%。在電弧中斷后，液態(tài)金屬表面先冷卻凝固，當(dāng)液態(tài)金屬內(nèi)部凝固時(shí)，部分體積收縮未得到補(bǔ)充。因此，無(wú)論是一次短路熔痕還是二次短路熔痕，其內(nèi)部除了有氣孔存在外，均還有部分縮孔存在。一次短路熔痕與二次短路熔痕形成縮孔的機(jī)制是相同的，但因二者形成的環(huán)境和溫度有所不同，故一次短路熔痕內(nèi)的縮孔小而少，形狀較規(guī)則；二次短路熔痕內(nèi)的縮孔大而多，形狀不規(guī)則。

3 結(jié) 論

(1) 火燒熔痕斷口基本沒(méi)有孔洞。

(2) 在600 ℃高溫作用前后，一次短路熔痕的微觀(guān)特征相似：斷口上存在均勻細(xì)密的孔洞，孔洞壁光滑，粗糙紋跡甚少，斷口呈現(xiàn)卵形花樣；從組織形態(tài)上看，具有明顯的樹(shù)枝晶、柱狀晶和共析組織。

(3) 二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內(nèi)表面上存在較小的孔洞，孔洞底部有平行的條形花紋，內(nèi)壁上存在小縮孔、卵石狀顆粒和灰塵；斷口呈現(xiàn)蜂窩狀花樣；從組織形態(tài)上看，具有明顯的亞結(jié)構(gòu)即胞狀晶。