H62黃銅導(dǎo)體短路熔痕的凝固組織

陳 克，張 斌，鄧松華，徐龍飛,2，趙曉陽(yáng),2

(1.應(yīng)急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.國(guó)家消防工程技術(shù)研究中心，天津 300381)

0 引 言

黃銅導(dǎo)體作為導(dǎo)電金屬構(gòu)件廣泛應(yīng)用于電氣電子設(shè)備，在使用過(guò)程中若發(fā)生短路故障會(huì)引發(fā)火災(zāi)[1-5]，同時(shí)會(huì)在故障點(diǎn)形成一次短路熔痕。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，帶電的黃銅導(dǎo)體在起火后也會(huì)發(fā)生短路，并形成二次短路熔痕。因此，準(zhǔn)確鑒定黃銅導(dǎo)體短路熔痕有助于火災(zāi)調(diào)查人員認(rèn)定引火源和起火原因。目前，有關(guān)兩種短路熔痕的特征，包括顯微組織、化學(xué)成分分布、微觀形貌及物相組成等研究主要集中在純銅導(dǎo)線方面[6-11]，鮮見(jiàn)有關(guān)黃銅等二元合金短路熔痕特征方面的報(bào)道。二元合金受溶質(zhì)含量及分布等因素的影響，其凝固過(guò)程及凝固組織更為復(fù)雜多變，與純金屬凝固時(shí)的截然不同[12-13]。因此，作者通過(guò)火災(zāi)模擬試驗(yàn)，制備了H62黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕和二次短路熔痕，研究了兩種短路熔痕的凝固組織特征，探討了短路熔痕的凝固機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)黃銅導(dǎo)體短路熔痕的定性判據(jù)，為火災(zāi)物證鑒定工作提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為H62黃銅片，尺寸為10 mm×7 mm×3 mm。采用NORAN SYSTEM 6型X射線能譜儀測(cè)定其化學(xué)成分。由表1可知，試驗(yàn)合金的化學(xué)成分符合GB/T 5232-2001對(duì)H62黃銅的成分要求。

表1 H62黃銅的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在室溫環(huán)境條件下搭建如圖1所示的黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕模擬試驗(yàn)裝置，制備一次短路熔痕。將2片黃銅導(dǎo)體分別連接至兩路短路線路，2片黃銅導(dǎo)體間保持一定間距。閉合短路保護(hù)器開關(guān)，將黃銅導(dǎo)體相互接觸使發(fā)生短路故障，最后斷開短路保護(hù)器開關(guān)，得到短路點(diǎn)處的黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕。

圖1 黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕模擬試驗(yàn)裝置示意

應(yīng)用黃銅導(dǎo)體短路故障模擬試驗(yàn)裝置和燃燒試驗(yàn)爐，搭建如圖2所示的黃銅導(dǎo)體二次短路熔痕模擬試驗(yàn)裝置，制備二次短路熔痕。將尺寸為25 mm×25 mm×280 mm的松木條放置于燃燒試驗(yàn)爐內(nèi)底部，堆放成4根×4根的木垛火源，并將連接黃銅導(dǎo)體的短路線路布置在爐內(nèi)頂部。點(diǎn)燃爐內(nèi)的木垛火源，至爐內(nèi)火焰穩(wěn)定燃燒后，閉合短路保護(hù)器開關(guān)，將黃銅導(dǎo)體相互接觸使發(fā)生短路故障，斷開短路保護(hù)器開關(guān)，撲滅爐內(nèi)火焰，得到短路點(diǎn)處的黃銅導(dǎo)體二次短路熔痕。

圖2 黃銅導(dǎo)體二次短路熔痕模擬試驗(yàn)裝置示意

采用FeCl3鹽酸酒精溶液[14]對(duì)短路熔痕進(jìn)行浸蝕處理，在KYKY-EM3200型掃描電鏡(SEM)上觀察短路熔痕的截面微觀形貌。截取短路熔痕的熔化區(qū)域冷鑲嵌為金相試樣，研磨至最大截面后拋光、腐蝕[14]，采用OLMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡觀察短路熔痕的截面顯微組織。采用NORAN SYSTEM 6型X射線能譜儀(EDS)對(duì)短路熔痕熔化區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可知：黃銅導(dǎo)體發(fā)生一次短路故障后，短路點(diǎn)處的基體發(fā)生局部熔化，快速凝固后堆積在未短路的基體上形成一次短路熔痕，呈熔珠狀或凹痕狀，熔痕與未熔化的基體間存在明顯的過(guò)渡區(qū)[14]；熔珠狀一次短路熔痕凝固組織呈枝晶形貌，而凹痕狀一次短路熔痕呈針狀晶形貌。黃銅導(dǎo)體發(fā)生二次短路故障后，短路點(diǎn)處的基體發(fā)生局部熔化，快速凝固后堆積在未短路的基體上形成二次短路熔痕，呈熔珠狀，熔痕與未熔化的基體間存在過(guò)渡區(qū)；二次短路熔痕凝固組織呈羽毛狀形貌。

圖3 黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕和二次短路熔痕的截面SEM形貌

2.2 顯微組織

由圖4可知：黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕和二次短路熔痕的過(guò)渡區(qū)特征明顯；熔珠狀一次短路熔痕凝固組織為α相，呈枝晶狀形貌；凹痕狀一次短路熔痕凝固組織為α相+β相，α相沿β相晶界呈針狀向β相晶內(nèi)析出，且針狀晶未貫穿β相晶界；二次短路熔痕凝固組織為α相+β相，α相呈羽毛狀形貌，其排列具有方向性。

圖4 黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕和二次短路熔痕的截面顯微組織

2.3 微區(qū)化學(xué)成分

由圖5可知，黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕和二次短路熔痕的主要成分均為銅和鋅元素。EDS分析結(jié)果顯示熔珠狀、凹痕狀一次短路熔痕中鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為32.28%，36.26%，二次短路熔痕中鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.04%，均低于黃銅基體中鋅元素的含量。由此可知，黃銅導(dǎo)體短路會(huì)造成鋅元素的損失。

圖5 黃銅基體和黃銅導(dǎo)體短路熔痕的EDS譜

2.4 分析與討論

鋅元素在常壓下的沸點(diǎn)為906 ℃，而導(dǎo)體短路時(shí)短路點(diǎn)的溫度超過(guò)1 000 ℃[15]。因此，H62黃銅導(dǎo)體發(fā)生短路時(shí)，部分鋅元素蒸發(fā)，導(dǎo)致熔痕中的鋅元素含量降低。鋅元素含量的變化使熔痕具有不同形態(tài)的顯微組織。由Cu-Zn合金相圖[16]可知，當(dāng)鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于32.5%時(shí)，黃銅熔體發(fā)生單相合金凝固過(guò)程。一次短路故障通常在室溫條件下發(fā)生，熔體凝固的過(guò)冷度大，凝固速率快，故其凝固組織為尺寸細(xì)小的枝晶，且具備鮮明的晶體學(xué)方向特征[12，17]。當(dāng)鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)32.5%時(shí)，黃銅熔體發(fā)生包晶合金凝固過(guò)程。在較高凝固速率下，α相+液相→β相的轉(zhuǎn)變有限，凝固時(shí)連續(xù)析出的α相來(lái)不及向β相晶粒內(nèi)生長(zhǎng)，因此室溫時(shí)的凝固組織呈針狀晶形貌。H62黃銅導(dǎo)體二次短路時(shí)的熔體發(fā)生包晶合金凝固過(guò)程，其凝固速率低于一次短路時(shí)熔體的，在α相+液相→β相轉(zhuǎn)變時(shí)，連續(xù)析出的α相增多并有序地向β相晶粒內(nèi)生長(zhǎng)及長(zhǎng)大，因此室溫時(shí)的凝固組織呈羽毛狀形貌。

火災(zāi)物證鑒定的主要工作是鑒定火場(chǎng)中H62黃銅熔痕的熔化性質(zhì)，為認(rèn)定起火部位和起火原因提供證據(jù)支持。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，H62黃銅導(dǎo)體短路熔痕凝固時(shí)因鋅元素含量的不同而存在兩種凝固機(jī)制，室溫時(shí)顯微組織特征因凝固機(jī)制不同而存在差異，這為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)H62黃銅導(dǎo)體短路熔痕的鑒定提供了新的理論依據(jù)。物證鑒定人員可依據(jù)短路熔痕的顯微組織、元素含量等信息，分析短路熔痕形成時(shí)的環(huán)境條件和凝固過(guò)程，從而更準(zhǔn)確地判定熔痕的熔化性質(zhì)，并提高火災(zāi)物證鑒定的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

(1) H62黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕具有明顯的過(guò)渡區(qū)特征。熔珠狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相，呈枝晶形貌，鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于32.5%；而凹痕狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相+β相，α相沿β相晶界呈針狀向β相晶內(nèi)析出，且α相針狀晶未貫穿β相晶界，熔痕中鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于32.5%。

(2) H62黃銅導(dǎo)體二次短路熔痕的室溫凝固組織為α相+β相，α相呈羽毛狀，排列具有方向性,鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于32.5%。

(3) H62黃銅導(dǎo)體一次短路熔痕與二次短路熔痕凝固組織特征的差異，可為火災(zāi)物證鑒定工作提供依據(jù)。