加熱時間和溫度對過負荷銅導線金相組織的影響

●王 斌

(武警學院訓練部,河北廊坊 065000)

0 引言

導線過負荷火災是一種常見的電氣火災形式,導線過負荷引起火災后,過負荷導線會繼續受火災現場的高溫作用,會對過負荷導線的金相顯微組織形成影響[1],為考查受熱溫度和時間對過負荷銅導線金相組織的影響,本文通過模擬火災現場中過負荷銅導線的形成和遺留過程,利用金相顯微鏡觀察過負荷銅導線受熱不同時間和不同溫度后的金相顯微特征,分析其變化規律,從而為火災調查人員準確認定火災原因提供參考和技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗設備與材料

火災痕跡物證綜合實驗臺(中國人民武裝警察部隊學院研制);SRJX-4-9型箱式電阻爐(杭州藍天儀器廠);P-2金相試樣拋光機(江南光學儀器廠);4XC型金相顯微鏡(上海光學儀器廠);Canon PowerShot A630數碼相機 (佳能中國有限責任公司 )。金相砂紙 (320號 、400號、600號、800號 );自凝牙托水,牙托粉;單芯聚氯乙烯銅導線(2.5mm2、4 mm2);FeCl3;HCl;無水乙醇。

1.2 實驗過程

取截面積為 2.5mm2和 4mm2的銅導線若干段,利用火災痕跡物證綜合實驗臺制備出過負荷試樣。過負荷導線制成后,利用箱式電阻爐模擬火災現場熱環境,將其置入其中加熱,在不同的溫度下加熱不同的時間,再以不同的冷卻方式對加熱后的銅導線進行冷卻,之后制成金相試樣進行觀察和拍照。

2 實驗結果

2.1 未通電和正常通電銅導線金相顯微特征

銅導線未通電和正常通電情況下的金相組織見圖 1、圖 2。作為導電線路的銅導線,是采用 99.95%以上的純銅經過冷拔處理制成的,強烈的塑性變形,銅的晶粒被拉長,原來的等軸晶粒沿著變形方向被拉長,呈纖維狀組織,具有明顯的方向性[2]。銅導線的原始組織如圖 1所示。在正常使用狀態下的銅導線的組織,仍保留著上述方向性,如圖 2。

2.2 不同加熱溫度下過負荷銅導線金相顯微特征

不同加熱溫度下過負荷銅導線金相顯微特征如圖 3～圖 5所示。將線徑為 2.5mm2的銅導線在 2.5倍安全電流下過負荷 20min,再分別置于 300℃、400℃、500℃、600℃、800℃下加熱 30min后噴水冷卻所得的金相顯微組織,比較各受熱溫度下的過負荷銅導線金相組織可發現,銅導線在通入 2.5倍安全電流過負荷 20min后,再將其置于 300℃～600℃的熱環境中受熱時,在該溫度區間內其金相顯微組織變化不大,均表現為不規則的多邊形晶粒,且具有一定的方向性,如圖 3、圖 4;而在 800℃的熱環境中受熱時,其晶粒將明顯增大,由形狀不規則的多邊形晶粒轉變為形狀較為規則的等軸晶和柱狀晶,且方向性明顯消失,如圖 5。

圖1 未經通電導線試樣(130×)

圖2 正常通電試樣(130×)

2.3 不同加熱時間下過負荷銅導線金相顯微特征

圖3 試樣 2.52.5-20-300-30-2(130×)

圖4 試樣 2.52.5-20-600-30-2(130×)

圖5 試樣 2.52.5-20-800-30-2(130×)

將過負荷銅導線在 500℃下加熱 10min、30min、50min、70min、90min后噴水冷卻。從得到的金相組織(圖 6～圖 8)中可以看出,在 500℃條件下,隨著加熱時間從 10min增加到 90m in,經熱處理后的過負荷銅導線,其金相組織發生了輕微變化。由形狀不規則的多邊形細小晶粒(圖 6、圖 7)轉變為形狀較為規則的細小等軸晶和柱狀晶(圖 8),方向性也有所降低,但總的來看變化不大。

圖6 試樣 2.52.5-20-500-10-2(130×)

圖7 試樣 2.52.5-20-500-70-2(130×)

圖8 試樣 2.52.5-20-500-90-2(130×)

3 結果分析

3.1 加熱溫度對過負荷銅導線金相組織的影響

銅導線的金相組織是單相組織[3],受熱溫度是影響其晶粒度的主要因素,晶粒的大小與其受熱溫度成正比,在一定的受熱時間內,受熱溫度越高,導線發生再結晶的速度越快,晶粒越大[4]。導線在不同溫度下所形成的晶粒形貌是不同的,在某一較高溫度下形成晶粒后,再將其置于一個較低的溫度下受熱,其晶粒將基本保持在高溫下已經形成的形貌而不發生改變。結合本實驗,當線徑為2.5mm2的銅導線中通入 2.5倍安全電流發生過負荷時,導線溫度已經達到 795℃,在該溫度下保持 20min后,其微觀組織已發生改變,并形成了對應于該溫度下的晶粒形貌,因此再將其置于低于 800℃的熱環境中受熱時,其微觀金相組織并未發生顯著變化,如圖 3、圖4;而將其置于 800℃的熱環境中受熱時,其晶粒明顯增大,方向性也基本消失,如圖 5。

3.2 加熱時間對過負荷銅導線金相組織的影響

對過負荷后的銅導線進行加熱處理時,加熱時間將影響其微觀形貌的變化。當加熱溫度較高時,加熱時間對晶粒的影響較大;而當加熱溫度較低時,加熱時間則對其影響不大[5]。結合本實驗,當在500℃的熱環境中對發生過負荷后的銅導線進行加熱處理時,導線的金相顯微特征并未隨著加熱時間的延長而發生顯著變化。分析其原因是因為當導線中通入 2.5倍安全電流發生過負荷時,導線溫度已達到 795℃,即加熱前的導線晶粒是在 795℃下形成的,該溫度高于隨后的熱處理溫度(500℃),所以在該溫度下加熱不同時間,其微觀組織基本保持原貌而不發生改變,如圖 6～圖 8。

4 結論

通過對過負荷銅導線金相顯微特征的分析比較,可以得出以下結論：過負荷銅導線的金相組織隨加熱溫度的升高,其晶粒也逐漸增大,但只有當加熱溫度高于導線過負荷形成時的溫度時,晶粒增大才比較明顯。加熱時間對于晶粒影響受加熱溫度的影響較大,當加熱溫度低于導線過負荷形成時的溫度時,加熱時間對晶粒度的影響不大,晶粒基本保持原貌不變。

[1]王希慶,韓寶玉,邸曼.電氣火災現場勘查與鑒定技術指南[M].沈陽：遼寧大學出版社,1997.

[2]衛廣昭,曹建旺,于進江.金相分析技術在電氣火因鑒定中的應用[J].消防技術與產品信息,2006,(8)：33-35.

[3]葉詩茂,陽世群,王新鋼,祝興華.金相分析中銅導線的腐蝕劑探討[J].消防科學與技術,2004,24(3)：370-372.

[4]ZHANG Hui,ZHANG Hong-gang,PENG Da-shu.Hot deformation behavior of KFC copper alloy during compression atelevated temperatures[J].Science Press,2006：562-566.

[5]郭貴中.退火處理對紫銅組織和性能的影響[J].平原大學學報,2006,(3)：129-131.