高溫金相在研究鋁導線二次短路熔痕組織中的應用

孟 威

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

電氣火災是指由于用電設備、電氣線路、用電器具以及供電設備發生了故障，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。根據我國火災事故統計，電氣火災占據了我國所有火災事故的近四成，是我國常見的火災原因之一。火災現場一般破壞嚴重，無法提取到直接證據，只能通過分析現場形成的痕跡及燃燒殘留物來尋找火災原因，而電氣火災現場留下最多并且最可靠的物證是導線熔痕及導線噴濺熔珠，火調人員通過分析現場提取的熔痕或者熔珠判斷是否發生短路，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]。

隨著金相分析技術的廣泛應用，關于鋁導線短路研究發表的文章越來越多。馬景強詳細論證了火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕的金相特征，指出金相鑒定技術在實際火災調查中具有重要指導作用[3]；王書運等模擬不同的火災環境，在實驗室內制備鋁導線熔痕，表明顯微結構出現樹枝晶和柱狀晶時,能基本判定導線為一次短路所致[4]。劉偉提到將凝固后的鋁導線短路熔珠在不同溫度環境下加熱，其金相組織是不同的。隨著加熱溫度的增加，鋁導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線二次短路熔痕進行分析，為火調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，蔡司高溫熱臺顯微鏡。

1.2 試驗內容

利用火災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，再使用高溫熱臺金相顯微鏡對試樣邊加熱邊觀察拍照記錄。

2 試驗結果

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，晶粒細小、密集，晶界明顯但不規則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔相對較小，內壁粗糙，數量較多，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，晶粒細小、密集，晶界明顯但不規則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔大，內壁粗糙，數量較多，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，氣孔內壁更加粗糙。對比同一電流下不同截面積鋁導線二次短路熔痕金相組織，截面積4 mm2導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鋁導線二次短路熔痕在不同溫度下200×金相組織圖片。當溫度為初始溫度25 ℃時，截面積為2.5 mm2的鋁導線二次短路熔痕金相組織晶粒細小且密集，晶界細微；當溫度上升至300 ℃時，熔痕表面顏色變深輕微發烏，晶粒晶界無明顯變化；當溫度上升至400 ℃時，熔痕表面顏色變深發烏，晶界逐漸明顯；當溫度上升至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；當溫度上升至600 ℃時，部分氣孔在縮小，幾個氣孔已經消失。當溫度上升至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鋁導線二次短路熔痕在不同溫度下100×金相組織圖片。當溫度為初始溫度27 ℃時，截面積為4 mm2的鋁導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，氣孔大而不規則；當溫度上升至300 ℃時，熔痕表面顏色變深輕微發烏，晶粒晶界無明顯變化；當溫度上升至400 ℃時，熔痕表面顏色變深發烏，晶界逐漸明顯；當溫度上升至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；當溫度上升至600 ℃時，部分氣孔在縮小，幾個氣孔已經消失。當溫度上升至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線二次短路熔痕在不同溫度下的金相組織發現，鋁導線二次短路熔痕金相組織受到溫度影響。當溫度在500 ℃之前，熔痕金相組織幾乎沒有改變，當溫度達到500～600 ℃時，金相組織會發生改變，晶粒輕微長大，部分氣孔逐漸縮小甚至消失。

2.3 結果分析

火災現場形成二次短路熔痕時，導線持續受熱，當二次短路熔痕結晶時，導線周圍環境溫度較高，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物，導致其金相組織中氣孔大、數量多、內壁粗糙、形狀不規則[6]。由于鋁的熔點(660 ℃)低，試驗線徑較小，制備二次短路熔痕時，絕緣層容易損壞發生短路，此時周圍環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小組織。當形成熔痕時，短路熔融點與空氣接觸，且此時空氣充滿了絕緣層燃燒產物，導致其金相組織中氣孔大、數量多、內壁粗糙、形狀不規則。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。

將凝固結晶的二次短路熔痕加熱，其金相組織隨溫度會發生變化，在一定溫度區間內，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。當溫度足夠高，時間足夠長時，二次短路熔痕顯微組織會產生新的晶粒。當溫度上升至300 ℃、400 ℃、500 ℃時，由于鋁比較活潑，表面容易發生氧化，熔痕表面顏色發生改變，由白色開始發烏，此時沒有達到晶粒生長溫度，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線二次短路熔痕內部金相組織影響較小。當溫度在500～600 ℃時，熔痕內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 ℃加熱溫度對鋁導線二次短路熔痕內部金相組織影響較大；加熱溫度660 ℃以上時，達到鋁導線的熔點，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 結論與不足

通過對鋁導線二次短路熔痕觀察、分析、比較和總結，可以得出以下結論：(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，晶粒細小、密集，晶界明顯但不規則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔相對較小，內壁粗糙，數量較多，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，晶粒細小、密集，晶界明顯但不規則，越靠近氣孔處晶粒越小，氣孔大，內壁粗糙，數量較多，并且氣孔大多分布在熔痕邊緣附近。(3)當溫度在500 ℃之前，熔痕金相組織幾乎沒有改變，當溫度達到500～600 ℃時，金相組織會發生改變，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，目前高溫熱臺顯微鏡在金相研究方面沒有得到廣泛應用，在試驗中鋁導線加熱過程中變形使得觀察金相圖出現對焦不準情況。目前本試驗僅僅就鋁導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律，為火調人員判斷熔痕類別提供參考。