H62黃銅導體短路熔痕的凝固組織

陳 克，張 斌，鄧松華，徐龍飛,2，趙曉陽,2

(1.應急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.國家消防工程技術研究中心，天津 300381)

0 引 言

黃銅導體作為導電金屬構件廣泛應用于電氣電子設備，在使用過程中若發生短路故障會引發火災[1-5]，同時會在故障點形成一次短路熔痕。當發生火災時，帶電的黃銅導體在起火后也會發生短路，并形成二次短路熔痕。因此，準確鑒定黃銅導體短路熔痕有助于火災調查人員認定引火源和起火原因。目前，有關兩種短路熔痕的特征，包括顯微組織、化學成分分布、微觀形貌及物相組成等研究主要集中在純銅導線方面[6-11]，鮮見有關黃銅等二元合金短路熔痕特征方面的報道。二元合金受溶質含量及分布等因素的影響，其凝固過程及凝固組織更為復雜多變，與純金屬凝固時的截然不同[12-13]。因此，作者通過火災模擬試驗，制備了H62黃銅導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制，并在此基礎上提出了火災現場黃銅導體短路熔痕的定性判據，為火災物證鑒定工作提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

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

表1 H62黃銅的化學成分(質量分數)

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

圖1 黃銅導體一次短路熔痕模擬試驗裝置示意

應用黃銅導體短路故障模擬試驗裝置和燃燒試驗爐，搭建如圖2所示的黃銅導體二次短路熔痕模擬試驗裝置，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爐內底部，堆放成4根×4根的木垛火源，并將連接黃銅導體的短路線路布置在爐內頂部。點燃爐內的木垛火源，至爐內火焰穩定燃燒后，閉合短路保護器開關，將黃銅導體相互接觸使發生短路故障，斷開短路保護器開關，撲滅爐內火焰，得到短路點處的黃銅導體二次短路熔痕。

圖2 黃銅導體二次短路熔痕模擬試驗裝置示意

采用FeCl3鹽酸酒精溶液[14]對短路熔痕進行浸蝕處理，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)對短路熔痕熔化區域的化學成分進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可知：黃銅導體發生一次短路故障后，短路點處的基體發生局部熔化，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渡區[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。黃銅導體發生二次短路故障后，短路點處的基體發生局部熔化，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渡區；二次短路熔痕凝固組織呈羽毛狀形貌。

圖3 黃銅導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：黃銅導體一次短路熔痕和二次短路熔痕的過渡區特征明顯；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 微區化學成分

由圖5可知，黃銅導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分析結果顯示熔珠狀、凹痕狀一次短路熔痕中鋅元素質量分數分別為32.28%，36.26%，二次短路熔痕中鋅元素質量分數為36.04%，均低于黃銅基體中鋅元素的含量。由此可知，黃銅導體短路會造成鋅元素的損失。

圖5 黃銅基體和黃銅導體短路熔痕的EDS譜

2.4 分析與討論

鋅元素在常壓下的沸點為906 ℃，而導體短路時短路點的溫度超過1 000 ℃[15]。因此，H62黃銅導體發生短路時，部分鋅元素蒸發，導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的顯微組織。由Cu-Zn合金相圖[16]可知，當鋅元素質量分數低于32.5%時，黃銅熔體發生單相合金凝固過程。一次短路故障通常在室溫條件下發生，熔體凝固的過冷度大，凝固速率快，故其凝固組織為尺寸細小的枝晶，且具備鮮明的晶體學方向特征[12，17]。當鋅元素質量分數超過32.5%時，黃銅熔體發生包晶合金凝固過程。在較高凝固速率下，α相+液相→β相的轉變有限，凝固時連續析出的α相來不及向β相晶粒內生長，因此室溫時的凝固組織呈針狀晶形貌。H62黃銅導體二次短路時的熔體發生包晶合金凝固過程，其凝固速率低于一次短路時熔體的，在α相+液相→β相轉變時，連續析出的α相增多并有序地向β相晶粒內生長及長大，因此室溫時的凝固組織呈羽毛狀形貌。

火災物證鑒定的主要工作是鑒定火場中H62黃銅熔痕的熔化性質，為認定起火部位和起火原因提供證據支持。由上述試驗結果可知，H62黃銅導體短路熔痕凝固時因鋅元素含量的不同而存在兩種凝固機制，室溫時顯微組織特征因凝固機制不同而存在差異，這為火災現場H62黃銅導體短路熔痕的鑒定提供了新的理論依據。物證鑒定人員可依據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的環境條件和凝固過程，從而更準確地判定熔痕的熔化性質，并提高火災物證鑒定的準確性。

3 結 論

(1) H62黃銅導體一次短路熔痕具有明顯的過渡區特征。熔珠狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相，呈枝晶形貌，鋅元素質量分數低于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相晶內析出，且α相針狀晶未貫穿β相晶界，熔痕中鋅元素質量分數高于32.5%。

(2) H62黃銅導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,鋅元素質量分數高于32.5%。

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