火災(zāi)現(xiàn)場中白銅電氣元件熔化痕跡金相組織特征

雷鵬奎

(陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，電氣火災(zāi)在我國火災(zāi)原因和火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失等各類火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中都占有較大比重[1-2]。調(diào)查電氣火災(zāi)過程中，調(diào)查人員能夠在火災(zāi)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一些金屬熔化痕跡，作為一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)，提取并送檢，而鑒定機(jī)構(gòu)對于金屬熔化痕跡形成原因的鑒定結(jié)論，對于準(zhǔn)確認(rèn)定火災(zāi)原因至關(guān)重要。白銅作為一種銅和鎳合金，主要出現(xiàn)在電氣構(gòu)件和一些金屬零件當(dāng)中，較之紫銅其熔點(diǎn)低，受到火災(zāi)現(xiàn)場電弧或熱的作用后，易形成短路或火燒熔痕，殘留在火災(zāi)現(xiàn)場，形成白銅熔痕。火災(zāi)調(diào)查人員一旦在火災(zāi)現(xiàn)場提取到白銅熔痕，可以根據(jù)白銅的熔痕來判斷火災(zāi)發(fā)生的原因，因此該類短路熔痕和火燒熔痕的研究工作顯得非常必要。

近年來，我國關(guān)于火災(zāi)現(xiàn)場金屬熔化痕跡的鑒定方法取得了一些研究成果，其中金相法的研究主要是針對銅鋁導(dǎo)線熔痕方面，對于銅的合金材料的研究內(nèi)容較少。目前國內(nèi)外對白銅的研究也并未涉及白銅熔痕的金相組織特征，周林等人采用水平連鑄-拉拔-軋制生產(chǎn)工藝，對高鎳鋅白銅的金相組織、機(jī)械性能及退火工藝進(jìn)行了研究[3]；閆洪對鑄態(tài)和熱擠壓態(tài)鋅白銅的金相組織進(jìn)行了分析[4]。我國建筑中電氣系統(tǒng)及其他場合，白銅的應(yīng)用非常廣泛，且白銅受到火災(zāi)熱的作用后，還極易產(chǎn)生熔化痕跡，其熔痕的金相組織異于銅鋁導(dǎo)線熔痕的金相組織，因此需要借助金相法對這些銅合金開展深入的研究工作。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：三氯化鐵鹽酸水溶液(5 g氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水)，自凝牙托粉，自凝牙托水，拋光粉，無水乙醇，蒸餾水，400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂紙。試驗(yàn)儀器：PG-2D型金相試樣拋光機(jī)(上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司制造)，4XCZ型金相顯微鏡(上海長方光學(xué)儀器有限公司制造)，HZ-1型火災(zāi)痕跡物證綜合試驗(yàn)臺(tái)(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院設(shè)計(jì))，XTL-340型體視顯微鏡(上海長方光學(xué)儀器有限公司制造)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

利用火災(zāi)痕跡物證綜合試驗(yàn)臺(tái)在電壓220 V、電流50 A、頻率50 Hz的條件下分別制備白銅-鋁導(dǎo)線短接、白銅-銅導(dǎo)線短接及白銅-白銅短接的一次短路熔痕；在相同通電條件下，將白銅懸空放置在液化氣灶上5 cm處制備白銅-鋁導(dǎo)線短接、白銅-銅導(dǎo)線短接及白銅-白銅短接的二次短路熔痕；將白銅置于汽油噴燈外焰上烘烤20 min后微調(diào)火焰至熄滅以制備白銅火燒熔痕。

為減小隨機(jī)性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在以上7種條件下均制備了5組樣品。收集白銅熔痕樣品研磨拋光并腐蝕后，利用4XCZ型金相顯微鏡對三種熔痕的氣孔和晶粒類型進(jìn)行觀察、分析、比較和記錄，然后對三種熔痕的氣孔和晶粒類型的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 白銅一次短路熔痕金相組織

如圖1～圖4，白銅一次短路熔痕的金相組織顯示：(1)氣孔數(shù)量較多，以大氣孔為主，氣孔的形狀比較規(guī)則，分布較為均勻；(2)晶粒以細(xì)小的樹枝晶為主，晶界較細(xì)，且生長具有一定的方向性。

圖1 白銅-鋁1#樣品一次短路熔痕金相組織(400×)

圖2 白銅-銅4#樣品一次短路熔痕金相組織(400×)

圖3 白銅-銅5#樣品一次短路熔痕金相組織(400×)

圖4 白銅-白銅5#樣品一次短路熔痕金相組織(400×)

2.2 白銅二次短路熔痕金相組織

如圖5～圖8，白銅和導(dǎo)線金屬材料二次短路熔痕的金相組織顯示：(1)氣孔數(shù)量十分多，以小氣孔為主，有少部分大氣孔，氣孔形狀基本較規(guī)則，分布均勻；(2)晶粒以較粗大的樹枝晶為主，晶界較細(xì)，且生長具有一定方向性。

2.3 白銅火燒熔痕金相組織

如圖9～圖12，白銅火燒熔痕金相組織顯示：(1)金相組織中沒有氣孔；(2)晶粒為粗大的等軸晶，晶界較細(xì)，等軸晶的生長無方向性。

圖5 白銅-鋁5#樣品二次短路熔痕金相組織(400×)

圖6 白銅-銅4#樣品二次短路熔痕金相組織(400×)

圖7 白銅-銅5#樣品二次短路熔痕金相組織(400×)

圖8 白銅-白銅4#樣品二次短路熔痕金相組織(400×)

圖9 白銅1#樣品火燒熔痕金相組織(400×)

圖10 白銅2#樣品火燒熔痕金相組織(400×)

圖11 白銅3#樣品火燒熔痕金相組織(400×)

圖12 白銅4#樣品火燒熔痕金相組織(400×)

2.4 分析與討論

在發(fā)生一次短路時(shí)，短路點(diǎn)處先熔成一個(gè)小熔池，然后結(jié)晶成鑄態(tài)組織，其是瞬間在相當(dāng)大的過冷度和冷卻速度下形成的，所以生成細(xì)小的樹枝晶。二次短路熔痕結(jié)晶時(shí)的環(huán)境溫度為火燒溫度，其冷卻速度比較緩慢，過冷度較小，在這種情況下，二次短路熔痕就形成了粗大的樹枝晶。而火燒熔痕是在火焰的灼燒下形成的，它的過冷度和冷卻速度相對于一次短路來說比較小，因此火燒形成了粗大的等軸晶。因?yàn)榘足~中有大量合金，所以短路形成樹枝晶。火燒熔痕在火焰灼燒下形成，周圍溫度較高，其冷卻速度緩慢，凝固時(shí)間長，在白銅融化時(shí)，溶解的氣體有充分逸出時(shí)間，所以火燒熔痕的金相組織基本沒有氣孔。白銅一二次短路時(shí)冷卻速度快，過冷度大，凝固的時(shí)間比較短，其吸收的氣體還沒有來得及逸出就被留在組織里，所以會(huì)形成大量的氣孔。

在試驗(yàn)中，一次短路熔痕的氣孔比二次短路熔痕的氣孔多而且也比其大的原因從氣孔的形成過程看，是一次短路時(shí)，冷卻速度快，熔痕的凝固時(shí)間短，氣體逸出量小，所以形成氣孔較大。二次短路的冷卻速度慢，凝固的時(shí)間較一次短路時(shí)間長，氣體大部分逸出，少量的氣體形成氣孔，故氣孔較小。在一次短路中，過冷度較大，所以形成了細(xì)小的樹枝晶。二次短路和一次短路比較，冷卻速度較慢，過冷度也不及一次短路的大，故形成了粗大樹枝晶。

3 結(jié)論

經(jīng)過對白銅和銅鋁導(dǎo)線的一次和二次短路熔痕及白銅火燒熔痕金相組織的觀察、分析、比較和總結(jié)，可得到如下結(jié)論：(1)白銅和銅鋁導(dǎo)線等一次短路熔痕金相組織特點(diǎn)是氣孔多，并且氣孔大多數(shù)為大氣孔，少部分為小氣孔，晶粒為細(xì)小的樹枝晶；(2)白銅二次短路熔痕金相組織特點(diǎn)是氣孔多，但是比一次短路熔痕金相組織氣孔少，小氣孔居多，晶粒為粗大的樹枝晶；(3)白銅的火燒熔痕金相組織特點(diǎn)是基本無氣孔，晶粒為粗大的等軸晶；(4)白銅一二次短路熔痕和火燒熔痕金相組織之間較容易分辨出來，而一次短路熔痕和二次短路熔痕金相組織辨別則從氣孔大小以及樹枝晶的大小來判斷。