3mm²線徑銅導線在不同受熱溫度下一次短路熔痕顯微特征分析

摘要：通過分析在實驗室模擬火災條件下3mm2線徑銅導線及其熔珠熔痕的顯微組織結構特征，得出結論：溫度越高，晶粒的長大速度越快；在同一溫度下，隨著持續受熱時間的增加，晶粒逐漸增大；火災現場的溫度及火災持續時間對銅導線一次短路熔痕的金相組織有一定的影響。

關鍵詞：銅導線 溫度 時間 受熱 晶粒

1 概述

短路是引起火災的原因之一。短路熔痕是由電流的作用而產生的熔痕。一次熔痕是火災前因本身故障短路而形成的熔痕。二次熔痕是由于火災作用導線發生短路而形成的熔痕。在實驗室模擬火災現場，分析了3mm2銅導線在不同受熱溫度下一次短路熔痕顯微特征，肯定了一些火災原因的鑒定依據。

2 材料和方法

2.1 材料 電焊機；SRJX-4-9型箱式電阻爐；P-2金相試樣拋光機；XJG-05大型金相顯微鏡；SONY體式顯微鏡；海鷗DF300照相機，海鷗61—1型黑白放大機。

金相砂紙（320號、400號、600號、800號），高反差黑白相紙（3號）。

牙托粉，自凝牙托水，顯影粉（D-72，D-76），酸性定影粉。

3mm2單芯聚氯乙烯銅導線。

FeCl3；HCl；乙醇。

2.2 方法

2.2.1 一次短路熔珠的制備及處理。將不同線徑銅導線分別剪成20cm長的若干節，去掉兩端絕緣皮。利用電焊機使銅導線發生短路，電焊機一端接一塊長50cm寬10cm的銅板，其另一端夾住已去掉絕緣皮的銅導線的裸線部分，調節電焊機電流（電焊機電流分為60A、80A、100A、120A、140A、160 A六檔），接通電源，使銅導線與銅板接觸，產生一次短路熔珠。利用箱式電阻爐模擬火災現場熱環境，使熔珠在不同溫度下加熱不同時間，之后用體式顯微鏡對熔珠的外觀進行拍照。樣品編號見表2.1。

2.2.2 金相試樣的制備、觀察、拍照及照片沖洗。制好的熔珠經提取、鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕后在金相顯微鏡下觀察、拍照并洗出照片。

①鑲嵌、研磨、拋光

用快速自凝牙托水（甲基丙稀酸甲酯）和自凝牙托粉鑲嵌法鑲嵌。用320號、400號、600號、800號金相砂紙對試樣分別進行粗磨、細磨，每換一次砂紙時，試樣均須轉90°與舊磨痕成垂直方向，向一個方向磨至舊磨痕完全消失，新磨痕均勻一致時為止。經細磨后的試樣，移到裝有天鵝絨的拋光機上進行拋光。磨盤直徑為200 mm，轉速為1350r/min，拋光粉用細氧化鋁粉。

②浸蝕

銅導線所用化學浸蝕劑配比如下：

Fecl35g；Hcl50ml；H2O100ml。浸蝕時間：3s-1min。

③照相、洗相

把照相機連接到金相顯微鏡上，為觀察到的試樣的金相組織照相，曝光時間為1/4s。

在室溫條件下沖洗底片，顯影時間為3min40s，定影時間一般為10min。在放大機上印放照片，調節放大機的光圈，光圈數為8，底片密度適中的曝光時間為8s；基本顯影時間為2-3min，定影15min，再把照片放在流水下沖洗15min。

3 結果與討論

3.1 一次短路熔珠特征

3.1.1 表面特征。熔珠的大小一般是線徑的1.5～2.5倍；熔珠的狀態也不盡一致，有的較大且凝結在導線端的正當中，有的歪在線端的一側。一次短路熔珠與導線銜接處有較明顯的界限，熔珠表面有光澤。

3.1.2 金相組織特征。一次短路熔痕結晶時的環境溫度為正常氣溫，冷卻速度快，過冷度也就大，因此一次短路熔痕的顯微組織以細小的柱狀晶或胞狀晶為主；一次短路熔痕氣孔周圍（Cu+Cu2O）共晶體較少，這是由于一次短路熔痕是在正常環境下形成的，外界環境溫度低，冷卻速度快，過冷度大，凝固時間短及空氣中的水蒸汽少，氧氣溶解量少，還沒來得及與銅充分反應產生Cu2O，就被析出組織之外。

3.2 受熱后一次短路熔珠特征

3.2.1 表面特征。加熱后表面有一層氧化物生成，而且極易脫落，溫度越高，時間越長，越易生成氧化物。氧化物脫落后，導線表面有金屬光澤。

3.2.2 孔洞特征。按照熔珠內有無孔洞以及孔洞內表面所具有的特征，可以鑒定出火燒熔痕，一次短路熔痕，二次短路熔痕。火燒導線在線端上形成的熔珠內部沒有孔洞，利用成分分析法，可以根據孔洞內表面所含成分重量百分數的不同，準確地鑒定出短路是構成起火的原因還是火災導致的原因。

3.2.3 金相組織變化特征

①當受熱溫度在600℃以下時，一次短路熔痕顯微組織以細小的柱狀晶為主，受熱溫度、持續受熱時間對其影響不大。

②當溫度達到600℃時，開始發生再結晶，隨著時間的持續增加，晶粒逐漸長大。

由圖可知，持續受熱時間為30min時，一次短路熔痕的顯微組織仍然是細小的柱狀晶，當時間增加到1h30min時，晶粒長大，出現粗大的晶粒。

③當溫度超過600℃以后，伴隨著溫度、時間的增加，晶粒逐漸呈長大趨勢。

當持續受熱時間增加到2h時，在相同放大倍率下，在整個金相顯微鏡視場內能看到粗大的晶粒。

4 結論

4.1 溫度

實驗結果顯示，溫度越高，晶粒的長大速度越快，這是因為晶界的平均遷移率與e-Qm/RT成正比（Qm為晶界遷移的激活能或原子擴散通過晶界的激活能）。

4.2 時間

實驗結果顯示，在同一溫度下，隨著持續受熱時間的增加，晶粒逐漸增大。晶粒長大時，晶界總是向著曲率中心的方向移動。由Dt=Ct1/2， 其中，Dt為t時間時的平均晶粒直徑；C＝K1/2，K為常數。這表明在恒溫下發生正常晶粒長大時，平均晶粒直徑隨保溫時間的平方根而增大。由此很容易解釋一次短路熔珠在不同受熱時間作用下，細小晶粒會逐漸長大。

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