高溫金相在研究鋁導(dǎo)線二次短路熔痕組織中的應(yīng)用

孟 威

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

電氣火災(zāi)是指由于用電設(shè)備、電氣線路、用電器具以及供電設(shè)備發(fā)生了故障，釋放出熱量，在一定條件下引燃本體或其他周圍可燃物而造成的火災(zāi)。根據(jù)我國火災(zāi)事故統(tǒng)計，電氣火災(zāi)占據(jù)了我國所有火災(zāi)事故的近四成，是我國常見的火災(zāi)原因之一?；馂?zāi)現(xiàn)場一般破壞嚴(yán)重，無法提取到直接證據(jù)，只能通過分析現(xiàn)場形成的痕跡及燃燒殘留物來尋找火災(zāi)原因，而電氣火災(zāi)現(xiàn)場留下最多并且最可靠的物證是導(dǎo)線熔痕及導(dǎo)線噴濺熔珠，火調(diào)人員通過分析現(xiàn)場提取的熔痕或者熔珠判斷是否發(fā)生短路，是一次短路還是二次短路，而判斷的方法通常采用金相法[1-2]。

隨著金相分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于鋁導(dǎo)線短路研究發(fā)表的文章越來越多。馬景強詳細(xì)論證了火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕的金相特征，指出金相鑒定技術(shù)在實際火災(zāi)調(diào)查中具有重要指導(dǎo)作用[3]；王書運等模擬不同的火災(zāi)環(huán)境，在實驗室內(nèi)制備鋁導(dǎo)線熔痕，表明顯微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)樹枝晶和柱狀晶時,能基本判定導(dǎo)線為一次短路所致[4]。劉偉提到將凝固后的鋁導(dǎo)線短路熔珠在不同溫度環(huán)境下加熱，其金相組織是不同的。隨著加熱溫度的增加，鋁導(dǎo)線短路熔珠的等軸晶晶粒將逐漸加大，呈粗大的等軸晶[5]。本文采用常溫金相和高溫金相對鋁導(dǎo)線二次短路熔痕進行分析，為火調(diào)人員判斷熔痕類別提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：截面積為2.5 mm2、4 mm2的聚氯乙烯單芯鋁導(dǎo)線、自凝牙托粉、自凝牙托水、金相模具、金剛石金相試樣拋光粉、HF溶液、蒸餾水、NaOH粉末、無水乙醇、502膠水。試驗儀器：火災(zāi)痕跡綜合實驗臺，蔡司金相顯微鏡，金相試樣拋光機，蔡司高溫?zé)崤_顯微鏡。

1.2 試驗內(nèi)容

利用火災(zāi)痕跡綜合實驗臺在電壓為220 V、電流為30 A、210 A、頻率為50 Hz的條件下分別制備3組2.5 mm2、4 mm2聚氯乙烯單芯鋁導(dǎo)線的二次短路熔痕，并進行宏觀拍照。對制備的樣品進行鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕，獲得金相試樣，將制備好的金相試樣使用金相顯微鏡觀察并拍照記錄。常溫下觀察結(jié)束后，使用砂紙將熔痕除腐蝕面以外其他面打磨，保證試樣腐蝕面能夠保持不變，再使用高溫?zé)崤_金相顯微鏡對試樣邊加熱邊觀察拍照記錄。

2 試驗結(jié)果

2.1 二次短路熔痕試樣常溫金相組織特征

觀察截面積2.5 mm2、4 mm2鋁導(dǎo)線分別在30 A、210 A電流下形成的二次短路熔痕常溫金相組織特征。如圖1～4，電流為30 A形成的二次短路熔痕，其金相組織主要是由柱狀晶或胞狀晶組成，晶粒細(xì)小、密集，晶界明顯但不規(guī)則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔相對較小，內(nèi)壁粗糙，數(shù)量較多，并且氣孔大多分布在熔痕邊緣附近。電流為210 A形成的二次短路熔痕，其金相組織主要是由柱狀晶或胞狀晶組成，晶粒細(xì)小、密集，晶界明顯但不規(guī)則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔大，內(nèi)壁粗糙，數(shù)量較多，并且氣孔大多分布在熔痕邊緣附近。對比電流為30 A和210 A二次短路熔痕金相組織，210 A電流形成的熔痕中氣孔直徑更加大更加明顯，氣孔內(nèi)壁更加粗糙。對比同一電流下不同截面積鋁導(dǎo)線二次短路熔痕金相組織，截面積4 mm2導(dǎo)線形成的短路熔痕金相組織晶粒形狀明顯，體積較大。

圖1 試樣1(2.5 mm2，30 A)200×下金相組織

圖2 試樣5(2.5 mm2，210 A)200×下金相組織

圖3 試樣10(4 mm2，30 A)100×下金相組織

圖4 試樣16(4 mm2，210 A)100×下金相組織

2.2 二次短路熔痕試樣高溫金相組織特征

圖5～10為2.5 mm2鋁導(dǎo)線二次短路熔痕在不同溫度下200×金相組織圖片。當(dāng)溫度為初始溫度25 ℃時，截面積為2.5 mm2的鋁導(dǎo)線二次短路熔痕金相組織晶粒細(xì)小且密集，晶界細(xì)微；當(dāng)溫度上升至300 ℃時，熔痕表面顏色變深輕微發(fā)烏，晶粒晶界無明顯變化；當(dāng)溫度上升至400 ℃時，熔痕表面顏色變深發(fā)烏，晶界逐漸明顯；當(dāng)溫度上升至500 ℃時，熔痕金相組織晶界明顯，晶粒輕微長大，部分氣孔在逐漸縮小；當(dāng)溫度上升至600 ℃時，部分氣孔在縮小，幾個氣孔已經(jīng)消失。當(dāng)溫度上升至668 ℃時，熔痕熔化無法觀察金相組織。

圖5 溫度25 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖6 溫度300 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖7 溫度400 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖8 溫度500 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖9 溫度600 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖10 溫度668 ℃時金相組織(2.5 mm2,200×)

圖11～16為4 mm2鋁導(dǎo)線二次短路熔痕在不同溫度下100×金相組織圖片。當(dāng)溫度為初始溫度27 ℃時，截面積為4 mm2的鋁導(dǎo)線二次短路熔痕金相組織由柱狀晶或胞狀晶組成，晶界明顯，氣孔大而不規(guī)則；當(dāng)溫度上升至300 ℃時，熔痕表面顏色變深輕微發(fā)烏，晶粒晶界無明顯變化；當(dāng)溫度上升至400 ℃時，熔痕表面顏色變深發(fā)烏，晶界逐漸明顯；當(dāng)溫度上升至500 ℃時，熔痕金相組織晶界明顯，晶粒輕微長大，部分氣孔在逐漸縮??；當(dāng)溫度上升至600 ℃時，部分氣孔在縮小，幾個氣孔已經(jīng)消失。當(dāng)溫度上升至687 ℃時，熔痕熔化無法觀察金相組織。

圖11 溫度27 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

圖12 溫度300 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

圖13 溫度400 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

圖14 溫度500 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

圖15 溫度600 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

圖16 溫度687 ℃時金相組織(4 mm2,100×)

通過對比兩種線徑鋁導(dǎo)線二次短路熔痕在不同溫度下的金相組織發(fā)現(xiàn)，鋁導(dǎo)線二次短路熔痕金相組織受到溫度影響。當(dāng)溫度在500 ℃之前，熔痕金相組織幾乎沒有改變，當(dāng)溫度達(dá)到500～600 ℃時，金相組織會發(fā)生改變，晶粒輕微長大，部分氣孔逐漸縮小甚至消失。

2.3 結(jié)果分析

火災(zāi)現(xiàn)場形成二次短路熔痕時，導(dǎo)線持續(xù)受熱，當(dāng)二次短路熔痕結(jié)晶時，導(dǎo)線周圍環(huán)境溫度較高，熔痕冷卻速度較為緩慢，過冷度比較小。因此形成的金相組織主要以粗大柱狀晶或胞狀晶為主，形成過程中空氣充滿了絕緣層燃燒產(chǎn)物，導(dǎo)致其金相組織中氣孔大、數(shù)量多、內(nèi)壁粗糙、形狀不規(guī)則[6]。由于鋁的熔點(660 ℃)低，試驗線徑較小，制備二次短路熔痕時，絕緣層容易損壞發(fā)生短路，此時周圍環(huán)境溫度并不是特別高，與高溫電弧溫度相差較大，故過冷度比較大，冷卻速度較快，因而二次短路熔痕生長成了以柱狀晶或胞狀晶為主的細(xì)小組織。當(dāng)形成熔痕時，短路熔融點與空氣接觸，且此時空氣充滿了絕緣層燃燒產(chǎn)物，導(dǎo)致其金相組織中氣孔大、數(shù)量多、內(nèi)壁粗糙、形狀不規(guī)則。但電流為210 A時，由于電流過大形成熔融點體積較大，與空氣接觸面積較大，所以形成的熔痕氣孔比較大。

將凝固結(jié)晶的二次短路熔痕加熱，其金相組織隨溫度會發(fā)生變化，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，熔痕晶粒長大由柱狀晶或胞狀晶向等軸晶改變，其中部分氣孔也發(fā)生變化。新的晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失。當(dāng)溫度足夠高，時間足夠長時，二次短路熔痕顯微組織會產(chǎn)生新的晶粒。當(dāng)溫度上升至300 ℃、400 ℃、500 ℃時，由于鋁比較活潑，表面容易發(fā)生氧化，熔痕表面顏色發(fā)生改變，由白色開始發(fā)烏，此時沒有達(dá)到晶粒生長溫度，過冷度過小，晶粒沒有生長，氣孔晶界無明顯變化，說明500 ℃以下加熱溫度對鋁導(dǎo)線二次短路熔痕內(nèi)部金相組織影響較小。當(dāng)溫度在500～600 ℃時，熔痕內(nèi)部金相組織晶粒成核率增大，此時過冷度滿足晶粒生長所需的溫度差，晶粒不斷生長、體積增大，不斷擠壓氣孔，氣孔內(nèi)氣體不斷逸出，氣孔縮小甚至消失。說明500～600 ℃加熱溫度對鋁導(dǎo)線二次短路熔痕內(nèi)部金相組織影響較大；加熱溫度660 ℃以上時，達(dá)到鋁導(dǎo)線的熔點，熔痕開始逐漸熔化，晶界不斷消失無法清楚觀察熔痕金相組織。

3 結(jié)論與不足

通過對鋁導(dǎo)線二次短路熔痕觀察、分析、比較和總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：(1)在電流較小時，即電流為30 A形成的二次短路熔痕，其金相組織主要由柱狀晶或胞狀晶組成，晶粒細(xì)小、密集，晶界明顯但不規(guī)則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔相對較小，內(nèi)壁粗糙，數(shù)量較多，并且氣孔大多分布在熔痕邊緣附近。(2)在電流較大時，即電流為210 A形成的二次短路熔痕，其金相組織主要由柱狀晶或胞狀晶組成，晶粒細(xì)小、密集，晶界明顯但不規(guī)則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔大，內(nèi)壁粗糙，數(shù)量較多，并且氣孔大多分布在熔痕邊緣附近。(3)當(dāng)溫度在500 ℃之前，熔痕金相組織幾乎沒有改變，當(dāng)溫度達(dá)到500～600 ℃時，金相組織會發(fā)生改變，晶粒輕微長大，部分氣孔逐漸縮小甚至消失。溫度660 ℃以上時熔痕熔化，無法觀察。

由于制備樣品要求高，目前高溫?zé)崤_顯微鏡在金相研究方面沒有得到廣泛應(yīng)用，在試驗中鋁導(dǎo)線加熱過程中變形使得觀察金相圖出現(xiàn)對焦不準(zhǔn)情況。目前本試驗僅僅就鋁導(dǎo)線二次短路熔痕進行研究，在今后研究中將改進試驗方法，將該儀器引入到其他短路熔痕中，得出一系列火場中熔痕變化規(guī)律，為火調(diào)人員判斷熔痕類別提供參考。