單股銅導線噴濺熔珠的密度與金相組織特征關聯性研究

諶康偉，王 蕓

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

隨著科技日新月異的發展，電氣與日常工作生活的聯系越來越緊密。電氣設備給人們帶來方便快捷的同時，電氣故障發生頻率也逐年升高，而電氣故障導致的火災，占全國每年發生火災數的比重最大[1]。短路是最常見的電氣故障，當導線短路時，短路點在電流巨大的能量作用下，溫度可達2 000 ℃，常用的銅導線熔點為1 083 ℃，此時銅導線在高溫作用下，會發生熔化和冷凝，從而形成熔珠。因此，短路噴濺熔珠是電氣火災事故中常見的物證[2]，準確確定熔珠類型對于識別火災原因至關重要。

目前常用的短路熔痕鑒定方法有宏觀法、金相分析法、微觀形貌法、成分分析法等，其中金相分析法最為常用[3]。在日常的火災調查中，如果發現火場有熔珠，一般都會采用金相分析法對熔珠進行鑒定，判斷熔珠的形成原因，以確定或排除起火原因。金相分析法要求鑒定人員有豐富的經驗和專業知識，且會永久性地破壞樣品，無法進行其他鑒定，而采用密度法鑒定熔珠不僅操作簡便，且不會破壞樣品，可與其他鑒定方法的鑒定結果相互對照，能提高鑒定的準確性。本文通過單股銅導線噴濺熔珠密度和金相組織特征的關聯性研究，分析熔珠金相組織與密度值的聯系，豐富密度法的理論基礎。

1 試驗部分

1.1 儀器與材料

試驗儀器：Sartorius BT224sxin型電子分析天平；燒杯；鑷子；浮力支架；宇舟牌YMP.1型金相試樣磨拋機；Observe.Alm型金相顯微鏡；HZ.1型火災物證綜合實驗臺。

試驗材料：1.5 mm2單股銅導線；2.5 mm2單股銅導線；造牙樹脂(Ⅱ型自凝粉劑)；義齒基托樹脂(Ⅱ型)；金剛砂拋光劑；120#砂紙；400#砂紙；800#砂紙；2 000#砂紙；拋光布；三氯化鐵溶液。

1.2 短路噴濺熔珠的制備

將1.5 mm2和2.5 mm2單股銅導線裁剪成15 cm的小段，剝去每一小段銅導線兩端的絕緣皮。在火災物證綜合實驗臺上，用電焊機模擬一次短路形成條件，在電弧巨大的能量下，產生一次短路噴濺熔珠。一次短路噴濺熔珠制備個數分別為1.5 mm2單股銅導線21個，2.5 mm2單股銅導線26個。

采用石膏板搭建一個箱子，接入透光率儀，在箱子中點燃木屑并調節遮擋板，改變石膏板箱開口的大小，使透光率儀的示數維持在50%左右，對兩根小段單股銅導線端部同時加熱，隨后在箱子中用電焊機模擬二次短路[4]，形成二次短路噴濺熔珠，二次短路噴濺熔珠制備數量分別為1.5 mm2單股銅導線22個，2.5 mm2單股銅導線25個。

1.3 短路噴濺熔珠的密度測定和金相分析

圖1為密度測量裝置，由浮力支架和分析天平組成。將短路噴濺熔珠放置在浸沒于水中的吊籃里，即可測出熔珠在水中的質量，根據阿基米德原理，物體于液體中所受浮力等于其排開液體的重力，可以得出公式[5]：

式中，ρ熔珠和ρ水分別為短路噴濺熔珠和水的密度；m空和m水分別為短路噴濺熔珠在空氣中和水中測得的質量。

圖1 密度測量裝置

將測完密度的短路噴濺熔珠經鑲嵌、120#砂紙研磨、400#砂紙研磨、800#砂紙研磨、2 000#砂紙研磨、拋光布拋光、腐蝕后，利用金相顯微鏡進行觀察、分析和記錄。

2 試驗結果

2.1 一次短路噴濺熔珠密度及金相組織

圖2和圖3分別是1.5 mm2和2.5 mm2銅導線一次短路噴濺熔珠金相組織圖，它們的密度分別為7.02 g·cm-3和7.35 g·cm-3。兩者的孔洞體積較小，且大都均勻分布于熔珠邊緣位置，但圖2中熔珠孔洞數量相對較多，因此其密度小于圖3中熔珠。兩者的金相組織均為細小的柱狀晶、胞狀晶。

表1為一次短路噴濺熔珠密度描述統計，1.5 mm2和2.5 mm2銅導線一次短路噴濺熔珠密度平均值分別為7.33 g·cm-3和7.35 g·cm-3。圖4、圖5

圖2 1.5 mm2一次短路噴濺熔珠(100×)

圖3 2.5 mm2一次短路噴濺熔珠(100×)

分別為1.5 mm2和2.5 mm2銅導線一次短路熔珠密度值的直方圖和正態曲線，不難看出都近似于正態分布，根據正態分布曲線，一次短路噴濺熔珠金相密度主要集中于7.00 g·cm-3到8.00 g·cm-3之間。

表1 一次短路噴濺熔珠密度描述統計表

圖4 1.5mm2銅導線一次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態曲線

圖5 2.5 mm2銅導線一次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態曲線

2.2 二次短路噴濺熔珠密度及金相組織

圖6和圖7分別是1.5 mm2和2.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠金相組織圖，其密度分別為6.33 g·cm-3和6.59 g·cm-3。熔珠中間部位均分布著不規則的較大氣孔，由于前者的孔洞數量相對較多，因此其密度小于后者，兩者的金相組織大都為粗大的柱狀晶。

圖6 1.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠(100×)

圖7 2.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠(100×)

表2為二次短路噴濺熔珠密度描述統計，1.5 mm2和2.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠的密度平均值分別為7.02 g·cm-3和7.05 g·cm-3。

表2 二次短路噴濺熔珠密度描述統計表

圖8和圖9分別為1.5 mm2和2.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠密度值的直方圖和正態曲線，可以看出它們都近似于正態分布，根據正態分布曲線，二次短路噴濺熔珠的密度主要集中于6.50 g·cm-3到7.50 g·cm-3之間。

圖8 1.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態曲線

圖9 2.5 mm2銅導線二次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態曲線

2.3 分析與討論

短路噴濺熔珠在形成過程中，冷卻速度較快，當金屬熔化成液滴時，一些空氣尚未完全反應并溢出金屬，液滴就冷凝成固體，部分空氣被截留在液滴的內部組織中形成孔洞。一次短路形成時的環境氣氛較為潔凈[6]，主要為空氣，而二次短路形成時環境氣氛較為復雜，含有大量煙塵、燃燒產物等雜質，因此二次短路噴濺熔珠中的孔洞數量和體積都遠遠大于一次短路噴濺熔珠。由于短路噴濺熔珠中的孔洞是影響其密度的主要因素，因此在密度統計中，一次短路噴濺熔珠密度整體上大于二次短路噴濺熔珠。

通過一、二次短路噴濺熔珠的密度統計可發現，雖然一次短路噴濺熔珠的密度普遍大于二次短路噴濺熔珠，但兩者密度分布存在著一定的重合。一方面是一次短路噴濺熔珠在飛濺過程中有可能混入較多的空氣，導致其內部同樣產生較多的孔洞，圖10為2.5 mm2銅導線一次和二次短路噴濺熔珠金相組織圖，兩者的密度分別為6.64 g·cm-3、6.75 g·cm-3，前者的孔洞較多，因此前者的密度小于后者。另一方面，晶粒大小也是影響短路噴濺熔珠密度大小的因素之一，隨著晶粒增大，其密度也有增大的趨勢，圖11為1.5 mm2和2.5 mm2銅導線一次短路噴濺熔珠的金相組織圖，它們的密度分別為6.95 g·cm-3、7.17 g·cm-3，兩顆熔珠幾乎都沒有氣孔，但是后者的晶粒大于前者，因此后者的密度相對更大。一次短路噴濺熔珠形成過程中過冷度較高，其晶體

(a) 一次短路噴濺熔珠(100×)

(b) 2.5 mm2銅導線(100×)

還沒有長大就已經凝固，因此多為細密的柱狀、胞狀晶體[7]，而二次短路噴濺熔珠形成時過冷度較低，多形成粗大的柱狀晶，所以二次短路噴濺熔珠的晶粒普遍大于一次短路噴濺熔珠，這使得一、二次短路噴濺熔珠密度分布產生了更多的重合。

3 結論

制備不同線徑的單股銅導線一次短路及二次短路噴濺熔珠，對比分析其密度和金相組織圖，可以得出以下結論：(1)單股銅導線短路噴濺熔珠的密度主要受其內部孔洞的影響，也在一定程度上受晶粒尺寸影響，熔珠內部的孔洞數量越少、孔洞體積越小、晶粒越大，則其密度越大。(2)由于二次短路噴濺熔珠內部孔洞數量較多、體積較大，因此單股銅導線一次短路噴濺熔珠的密度普遍大于二次短路噴濺熔珠，一次短路噴濺熔珠平均密度為7.34 g·cm-3，二次短路噴濺熔珠平均密度約為7.00 g·cm-3。(3)由于孔洞和晶粒的共同影響，一次短路和二次短路噴濺熔珠的密度分布存在一定重合。(4)單股銅導線的線徑對其短路噴濺熔珠的金相組織和密度幾乎沒有影響。