加熱溫度對(duì)一次短路熔痕金相組織的影響研究

江添翼　鄒洋　薄淇友

摘要：本文主要研究一次短路金相組織特征與加熱溫度的關(guān)系，利用IPP軟件對(duì)金相組織特征中孔洞面積、熔痕面積、孔洞面積比、孔洞數(shù)量、晶粒平均面積等特征參數(shù)進(jìn)行提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境溫度與特征參數(shù)、晶粒生長(zhǎng)方向性有明顯的關(guān)聯(lián)性。實(shí)驗(yàn)為電氣火災(zāi)物證鑒定判斷一次短路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度提供依據(jù)，對(duì)判定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)起火原因、認(rèn)定起火點(diǎn)起到一定的幫助作用。

關(guān)鍵詞：加熱溫度;一次短路;金相組織特征

在實(shí)際電氣火災(zāi)中，溫度氣氛條件復(fù)雜不可控，我國(guó)對(duì)銅導(dǎo)線短路熔珠的研究方法較多，有微觀形貌法、金相分析法等，并形成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法》[1]，根據(jù)國(guó)標(biāo)中對(duì)一次短路、二次短路的特征描述，有著明顯的差別，無(wú)論是從氣孔還是晶粒形態(tài)的特征上，都有著明確的定義。然而現(xiàn)行國(guó)外的研究認(rèn)為導(dǎo)線在發(fā)生短路后一定程度上受到火場(chǎng)環(huán)境的影響，Mitsuhashi通過(guò)限制電流短路，制備多股導(dǎo)線熔珠，在400–1000℃的馬弗爐內(nèi)加熱，而后發(fā)生限制電流短路，同時(shí)形成短路的特征既有一次短路也有二次短路的特征，研究認(rèn)為火場(chǎng)的溫度、氣氛等多因素最終導(dǎo)致導(dǎo)線金相組織上的差異性[2]。

一些研究表明為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度可以使導(dǎo)線發(fā)生短路后形成的晶粒組織發(fā)生長(zhǎng)大，形成與二次短路晶粒組織類似的特征。這當(dāng)然是一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)，但是除了這一因素之外，筆者也發(fā)現(xiàn)有些一次短路本身也因?yàn)閷?dǎo)線短接的部位大小、時(shí)間長(zhǎng)短等不確定因素等會(huì)呈現(xiàn)典型的二次短路特征[3]。溫度可以影響晶粒的生長(zhǎng)速度，在不同的受熱溫度下，晶粒大小發(fā)生顯著變化，一般情況下，受熱溫度越高，晶粒越大;火場(chǎng)溫度與火場(chǎng)受熱時(shí)間對(duì)發(fā)生短路的熔痕組織產(chǎn)生一定的影響。研究表明，加熱時(shí)間、加熱溫度會(huì)對(duì)黃銅晶粒組織產(chǎn)生顯著影響，晶粒再結(jié)晶速度、晶粒生長(zhǎng)的方向性一定受到溫度的影響明顯[4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與材料

儀器：蔡司金相顯微鏡;HZ.1型火災(zāi)物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái);P2金相試樣拋光機(jī);馬弗爐

實(shí)驗(yàn)材料：2.5mm2的聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線;造牙樹(shù)脂（Ⅱ型自凝粉劑）;義齒基托樹(shù)脂（Ⅱ型）;金剛石金相試樣拋光粉;120#、400#、800#、1200#、2000#金相磨砂紙;三氯化鐵溶液;蒸餾水;無(wú)水乙醇

1.2樣品的制備

（1）分別截取長(zhǎng)約15cm的2.5 mm2聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線3組;

（2）分別接通電源，將電焊機(jī)電壓調(diào)至220V，調(diào)節(jié)電流大小為240A，將電焊機(jī)電鉗上未與電把子連接一端與另一根導(dǎo)線未與綜合物證臺(tái)電極連接一端輕輕接觸后抽離，多次操作，直至產(chǎn)生電弧、電火花;

（3）截取熔痕端部約3cm的一次短路熔痕，收集保存;

1.3熔痕的加熱

用馬弗爐加熱制備的3組2.5mm2聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線，設(shè)置加熱溫度分別為600℃、800℃、1000℃，加熱時(shí)間均為1h30min，排除加熱時(shí)間對(duì)熔痕特征的影響。

1.4金相試樣的制備

將制備的金相試樣進(jìn)行鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕操作。分別將截取的有熔痕端部鋁導(dǎo)線經(jīng)處理后放入模具鑲嵌。用快速自凝牙托水（甲基丙烯酸甲脂）和自凝牙托粉鑲嵌法鑲嵌。用120#、400#、800#、1200#、2000#的金相磨砂紙對(duì)金相進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，將細(xì)磨后的試樣移到進(jìn)行拋光，拋光將細(xì)小劃痕消除，用滴管吸取少量FeCl3溶液，滴在金相制樣的表面，觀察表面腐蝕情況。

1.5金相制樣的觀察、分析和記錄

實(shí)驗(yàn)利用金相顯微鏡對(duì)一次短路熔痕不同加熱溫度條件下金相組織進(jìn)行觀察、分析、比較。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先利用綜合物證實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將分成的3組導(dǎo)線制備鋁導(dǎo)線一次短路熔痕，3組導(dǎo)線分組為2.5mm2在220V電壓、240A電流條件下制備而成，制備完成后通過(guò)600℃、800℃、1000℃溫度保溫，加熱時(shí)間均為1h30min。而后試樣經(jīng)過(guò)鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕幾個(gè)過(guò)程后制備得到金相試樣，并在金相顯微鏡下對(duì)其金相結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2.1試樣在600℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對(duì)240A電流制備的一次短路熔痕進(jìn)行600℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

600℃保溫溫度條件下，在熔化端處晶粒較細(xì)小，有大小不一且分布不一的氣孔，部分熔珠在熔端晶粒有較為明顯的方向性，晶粒呈細(xì)長(zhǎng)狀，多為樹(shù)枝晶。導(dǎo)線本體端為等軸晶狀，晶粒較小，本體端與熔化端界限明顯。

2.2試樣在800℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對(duì)240A電流制備的一次短路熔痕進(jìn)行800℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

800℃保溫溫度條件下，有較多的氣孔，熔珠的晶粒不規(guī)則，呈細(xì)長(zhǎng)狀，晶粒的方向性不明顯。導(dǎo)線本體端為等軸晶狀，本體端與熔化端界限明顯。

2.3試樣在1000℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對(duì)240A電流制備的一次短路熔痕進(jìn)行1000℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

1000℃保溫溫度條件下，有較多較大的氣孔，晶粒較粗大，晶粒的方向性不明顯。導(dǎo)線本體端為等軸晶狀，等軸晶晶粒較粗大，本體端與熔化端界限明顯。

2.4不同加熱溫度金相組織量化特征

表 1? 不同加熱溫度金相組織參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)不同加熱溫度條件分析銅導(dǎo)線截面孔洞特征的形成，應(yīng)用金相圖像分析軟件，對(duì)模擬試驗(yàn)制備的單股、多股銅導(dǎo)線一次短路熔痕和二次短路熔痕的內(nèi)部孔洞進(jìn)行分析研究，找出熔痕性質(zhì)與孔洞特征參數(shù)如數(shù)量等[5]。

通過(guò)Image Pro Plus軟件對(duì)金相組織圖像進(jìn)行處理，根據(jù)金屬平均晶粒度測(cè)定方法中的面積法，計(jì)算已知面積內(nèi)的晶粒個(gè)數(shù)，利用單位面積晶粒數(shù)來(lái)確定晶粒度級(jí)別數(shù)。處理熔痕金相圖譜的流程為：?jiǎn)?dòng)IPP軟件，將標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺圖打開(kāi)后進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)校正標(biāo)尺獲得金相圖尺寸準(zhǔn)確數(shù)據(jù);打開(kāi)原始金相圖片;通過(guò)AOI功能選定孔洞、熔痕、晶粒的區(qū)域;最后使用 Count/Size 工具，選取測(cè)量的數(shù)據(jù)為面積，統(tǒng)計(jì)出表格尺寸數(shù)據(jù)。

由表格分析可知，孔洞面積、熔痕面積、孔洞面積比、孔洞數(shù)量、晶粒平均面積等數(shù)據(jù)與銅導(dǎo)線發(fā)生一次短路后的加熱溫度有一定的關(guān)系性。在600℃、800℃、1000℃三個(gè)加熱溫度條件下，孔洞面積與熔痕面積的變化均為波動(dòng)性的，呈現(xiàn)隨溫度升高先下降后上升的趨勢(shì)，說(shuō)明溫度的升高并不一定導(dǎo)致孔洞面積、熔痕面積的增大，影響因素可能由加熱溫度、加熱時(shí)間、電流大小共同影響。孔洞面積比的變化與溫度的變化具有一定的同一性，表明孔洞面積比的變化很大程度上與溫度有關(guān)聯(lián)，隨著溫度的升高，孔洞面積比也增大?？锥吹臄?shù)量與溫度也呈波動(dòng)性變化，由表格可以看出的是平均孔洞面積與平均孔洞數(shù)量呈明顯負(fù)相關(guān)，隨著溫度600℃、800℃、1000℃變化，平均孔洞面積先降低后增加，而孔洞數(shù)量呈先增加后降低的趨勢(shì)，溫度一定程度上影響熔痕內(nèi)部孔洞的形成，說(shuō)明熔痕內(nèi)部氣體析出時(shí)由溫度的變化產(chǎn)生影響，形成氣孔大而少轉(zhuǎn)變?yōu)樾《嘣俎D(zhuǎn)變?yōu)榇蠖俚淖兓厔?shì)。

2.5分析與討論

銅導(dǎo)線發(fā)生一次短路時(shí)，在240A電流條件下?lián)舸┛諝?，形成高溫電弧、電火花，高溫電弧的作用使銅導(dǎo)線熔化，處于高溫狀態(tài)下的銅導(dǎo)線極易吸氣且與環(huán)境周圍的氣體發(fā)生反應(yīng)，周圍的氣體以溶解、吸附等方式擴(kuò)散到熔融的高溫銅液中，由于銅導(dǎo)線短路點(diǎn)范圍小、冷卻速度快的特點(diǎn)，銅中滲透的氣體來(lái)不及排除到本體外而留在熔痕端內(nèi)部最終氣體溶解在熔痕內(nèi)，形成反應(yīng)性氣孔。在導(dǎo)線發(fā)生一次短路后，一次短路熔痕中存在有小而少的氣孔，經(jīng)過(guò)熱源作用后，氣孔數(shù)量與大小發(fā)生變化。通過(guò)統(tǒng)計(jì)的孔洞數(shù)量、孔洞面積等數(shù)據(jù)可知，不同的加熱溫度孔洞特征參數(shù)發(fā)生規(guī)律性的差異。隨著溫度的升高，孔洞面積比發(fā)生明顯變化，600℃時(shí)平均孔洞面積比為4.36%，800℃時(shí)平均孔洞面積比為5.70%，1000℃時(shí)平均孔洞面積比為7.34%，呈正相關(guān)變化。孔洞面積、熔痕面積并未呈明顯的一次線性關(guān)系，存在隨溫度變化發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象。結(jié)果表明，銅導(dǎo)線發(fā)生一次短路后孔洞面積、熔痕面積會(huì)隨著溫度發(fā)生波動(dòng)變化，且變化并非簡(jiǎn)單的線性變化?？锥疵娣e比呈正相關(guān)說(shuō)明溫度越高，孔洞占熔痕比例越大，說(shuō)明高溫使熔痕內(nèi)部滲透的氣孔排出熔痕內(nèi)部，溫度越高析出的氣體約多，越易形成氣孔。

銅導(dǎo)線發(fā)生一次短路后，熔痕會(huì)形成較為細(xì)小的胞狀晶、樹(shù)枝晶，隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化，金相組織中晶粒尺寸也會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度越高，晶粒越粗大，根據(jù)晶界的平均遷移率m與 e- Qm/RT 成正比，溫度越高，晶界平均遷移率越高，晶粒隨著晶界的遷移而長(zhǎng)大[6]。在240A電流作用下，銅導(dǎo)線形成了細(xì)小的樹(shù)枝晶、胞狀晶，在大電流作用下，晶粒呈一定的方向性。根據(jù)表格中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可知，隨著加熱溫度的升高，平均晶粒面積比發(fā)生明顯變化，600℃時(shí)平均孔洞面積比為1632.94um2，800℃時(shí)平均孔洞面積比為6745.15um2，1000℃時(shí)平均孔洞面積比為13605.74um2，平均晶粒面積呈正相關(guān)變化。結(jié)果表明，導(dǎo)線發(fā)生一次短路后孔洞面積、熔痕面積會(huì)隨著溫度呈正相關(guān)變化，說(shuō)明加熱溫度會(huì)使細(xì)小的晶粒粗大化，晶粒的尺寸會(huì)發(fā)生較為明顯的長(zhǎng)大，方向性逐漸消失。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，得到以下結(jié)論：

（1）發(fā)生一次短路，隨著加熱溫度的升高，孔洞面積比呈正相關(guān)變化，孔洞面積、熔痕面積會(huì)隨著溫度發(fā)生非線性變化。

（2）溫度越高，短路熔痕的晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，方向性逐漸消失，平均晶粒面積與加熱溫度在銅導(dǎo)線熔點(diǎn)以下溫度范圍呈明顯正相關(guān)。

作者簡(jiǎn)介：

江添翼，中國(guó)人民警察大學(xué)研究生三隊(duì)學(xué)員，研究方向：安全工程火災(zāi)調(diào)查。

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