加熱溫度對一次短路熔痕金相組織的影響研究

江添翼　鄒洋　薄淇友

摘要：本文主要研究一次短路金相組織特征與加熱溫度的關系，利用IPP軟件對金相組織特征中孔洞面積、熔痕面積、孔洞面積比、孔洞數量、晶粒平均面積等特征參數進行提取。實驗結果表明環境溫度與特征參數、晶粒生長方向性有明顯的關聯性。實驗為電氣火災物證鑒定判斷一次短路現場環境溫度提供依據，對判定火災現場起火原因、認定起火點起到一定的幫助作用。

關鍵詞：加熱溫度;一次短路;金相組織特征

在實際電氣火災中，溫度氣氛條件復雜不可控，我國對銅導線短路熔珠的研究方法較多，有微觀形貌法、金相分析法等，并形成了國家標準《電氣火災原因技術鑒定方法》[1]，根據國標中對一次短路、二次短路的特征描述，有著明顯的差別，無論是從氣孔還是晶粒形態的特征上，都有著明確的定義。然而現行國外的研究認為導線在發生短路后一定程度上受到火場環境的影響，Mitsuhashi通過限制電流短路，制備多股導線熔珠，在400–1000℃的馬弗爐內加熱，而后發生限制電流短路，同時形成短路的特征既有一次短路也有二次短路的特征，研究認為火場的溫度、氣氛等多因素最終導致導線金相組織上的差異性[2]。

一些研究表明為火災現場溫度可以使導線發生短路后形成的晶粒組織發生長大，形成與二次短路晶粒組織類似的特征。這當然是一個很重要的發現，但是除了這一因素之外，筆者也發現有些一次短路本身也因為導線短接的部位大小、時間長短等不確定因素等會呈現典型的二次短路特征[3]。溫度可以影響晶粒的生長速度，在不同的受熱溫度下，晶粒大小發生顯著變化，一般情況下，受熱溫度越高，晶粒越大;火場溫度與火場受熱時間對發生短路的熔痕組織產生一定的影響。研究表明，加熱時間、加熱溫度會對黃銅晶粒組織產生顯著影響，晶粒再結晶速度、晶粒生長的方向性一定受到溫度的影響明顯[4]。

1 實驗部分

1.1儀器與材料

儀器：蔡司金相顯微鏡;HZ.1型火災物證綜合實驗臺;P2金相試樣拋光機;馬弗爐

實驗材料：2.5mm2的聚氯乙烯單芯銅導線;造牙樹脂（Ⅱ型自凝粉劑）;義齒基托樹脂（Ⅱ型）;金剛石金相試樣拋光粉;120#、400#、800#、1200#、2000#金相磨砂紙;三氯化鐵溶液;蒸餾水;無水乙醇

1.2樣品的制備

（1）分別截取長約15cm的2.5 mm2聚氯乙烯單芯銅導線3組;

（2）分別接通電源，將電焊機電壓調至220V，調節電流大小為240A，將電焊機電鉗上未與電把子連接一端與另一根導線未與綜合物證臺電極連接一端輕輕接觸后抽離，多次操作，直至產生電弧、電火花;

（3）截取熔痕端部約3cm的一次短路熔痕，收集保存;

1.3熔痕的加熱

用馬弗爐加熱制備的3組2.5mm2聚氯乙烯單芯銅導線，設置加熱溫度分別為600℃、800℃、1000℃，加熱時間均為1h30min，排除加熱時間對熔痕特征的影響。

1.4金相試樣的制備

將制備的金相試樣進行鑲嵌、粗磨、細磨、拋光、腐蝕操作。分別將截取的有熔痕端部鋁導線經處理后放入模具鑲嵌。用快速自凝牙托水（甲基丙烯酸甲脂）和自凝牙托粉鑲嵌法鑲嵌。用120#、400#、800#、1200#、2000#的金相磨砂紙對金相進行粗磨和細磨，將細磨后的試樣移到進行拋光，拋光將細小劃痕消除，用滴管吸取少量FeCl3溶液，滴在金相制樣的表面，觀察表面腐蝕情況。

1.5金相制樣的觀察、分析和記錄

實驗利用金相顯微鏡對一次短路熔痕不同加熱溫度條件下金相組織進行觀察、分析、比較。

2 實驗結果

首先利用綜合物證實驗臺，將分成的3組導線制備鋁導線一次短路熔痕，3組導線分組為2.5mm2在220V電壓、240A電流條件下制備而成，制備完成后通過600℃、800℃、1000℃溫度保溫，加熱時間均為1h30min。而后試樣經過鑲嵌、粗磨、細磨、拋光、腐蝕幾個過程后制備得到金相試樣，并在金相顯微鏡下對其金相結構進行觀察。

2.1試樣在600℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對240A電流制備的一次短路熔痕進行600℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

600℃保溫溫度條件下，在熔化端處晶粒較細小，有大小不一且分布不一的氣孔，部分熔珠在熔端晶粒有較為明顯的方向性，晶粒呈細長狀，多為樹枝晶。導線本體端為等軸晶狀，晶粒較小，本體端與熔化端界限明顯。

2.2試樣在800℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對240A電流制備的一次短路熔痕進行800℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

800℃保溫溫度條件下，有較多的氣孔，熔珠的晶粒不規則，呈細長狀，晶粒的方向性不明顯。導線本體端為等軸晶狀，本體端與熔化端界限明顯。

2.3試樣在1000℃加熱條件下金相組織特征

馬弗爐對240A電流制備的一次短路熔痕進行1000℃保溫，形成的金相組織如上圖所示。

1000℃保溫溫度條件下，有較多較大的氣孔，晶粒較粗大，晶粒的方向性不明顯。導線本體端為等軸晶狀，等軸晶晶粒較粗大，本體端與熔化端界限明顯。

2.4不同加熱溫度金相組織量化特征

表 1? 不同加熱溫度金相組織參數特征統計表

根據不同加熱溫度條件分析銅導線截面孔洞特征的形成，應用金相圖像分析軟件，對模擬試驗制備的單股、多股銅導線一次短路熔痕和二次短路熔痕的內部孔洞進行分析研究，找出熔痕性質與孔洞特征參數如數量等[5]。

通過Image Pro Plus軟件對金相組織圖像進行處理，根據金屬平均晶粒度測定方法中的面積法，計算已知面積內的晶粒個數，利用單位面積晶粒數來確定晶粒度級別數。處理熔痕金相圖譜的流程為：啟動IPP軟件，將標準標尺圖打開后進行標定，通過校正標尺獲得金相圖尺寸準確數據;打開原始金相圖片;通過AOI功能選定孔洞、熔痕、晶粒的區域;最后使用 Count/Size 工具，選取測量的數據為面積，統計出表格尺寸數據。

由表格分析可知，孔洞面積、熔痕面積、孔洞面積比、孔洞數量、晶粒平均面積等數據與銅導線發生一次短路后的加熱溫度有一定的關系性。在600℃、800℃、1000℃三個加熱溫度條件下，孔洞面積與熔痕面積的變化均為波動性的，呈現隨溫度升高先下降后上升的趨勢，說明溫度的升高并不一定導致孔洞面積、熔痕面積的增大，影響因素可能由加熱溫度、加熱時間、電流大小共同影響。孔洞面積比的變化與溫度的變化具有一定的同一性，表明孔洞面積比的變化很大程度上與溫度有關聯，隨著溫度的升高，孔洞面積比也增大。孔洞的數量與溫度也呈波動性變化，由表格可以看出的是平均孔洞面積與平均孔洞數量呈明顯負相關，隨著溫度600℃、800℃、1000℃變化，平均孔洞面積先降低后增加，而孔洞數量呈先增加后降低的趨勢，溫度一定程度上影響熔痕內部孔洞的形成，說明熔痕內部氣體析出時由溫度的變化產生影響，形成氣孔大而少轉變為小而多再轉變為大而少的變化趨勢。

2.5分析與討論

銅導線發生一次短路時，在240A電流條件下擊穿空氣，形成高溫電弧、電火花，高溫電弧的作用使銅導線熔化，處于高溫狀態下的銅導線極易吸氣且與環境周圍的氣體發生反應，周圍的氣體以溶解、吸附等方式擴散到熔融的高溫銅液中，由于銅導線短路點范圍小、冷卻速度快的特點，銅中滲透的氣體來不及排除到本體外而留在熔痕端內部最終氣體溶解在熔痕內，形成反應性氣孔。在導線發生一次短路后，一次短路熔痕中存在有小而少的氣孔，經過熱源作用后，氣孔數量與大小發生變化。通過統計的孔洞數量、孔洞面積等數據可知，不同的加熱溫度孔洞特征參數發生規律性的差異。隨著溫度的升高，孔洞面積比發生明顯變化，600℃時平均孔洞面積比為4.36%，800℃時平均孔洞面積比為5.70%，1000℃時平均孔洞面積比為7.34%，呈正相關變化。孔洞面積、熔痕面積并未呈明顯的一次線性關系，存在隨溫度變化發生波動的現象。結果表明，銅導線發生一次短路后孔洞面積、熔痕面積會隨著溫度發生波動變化，且變化并非簡單的線性變化。孔洞面積比呈正相關說明溫度越高，孔洞占熔痕比例越大，說明高溫使熔痕內部滲透的氣孔排出熔痕內部，溫度越高析出的氣體約多，越易形成氣孔。

銅導線發生一次短路后，熔痕會形成較為細小的胞狀晶、樹枝晶，隨著環境溫度發生變化，金相組織中晶粒尺寸也會發生規律性變化。實驗結果顯示，溫度越高，晶粒越粗大，根據晶界的平均遷移率m與 e- Qm/RT 成正比，溫度越高，晶界平均遷移率越高，晶粒隨著晶界的遷移而長大[6]。在240A電流作用下，銅導線形成了細小的樹枝晶、胞狀晶，在大電流作用下，晶粒呈一定的方向性。根據表格中呈現的數據可知，隨著加熱溫度的升高，平均晶粒面積比發生明顯變化，600℃時平均孔洞面積比為1632.94um2，800℃時平均孔洞面積比為6745.15um2，1000℃時平均孔洞面積比為13605.74um2，平均晶粒面積呈正相關變化。結果表明，導線發生一次短路后孔洞面積、熔痕面積會隨著溫度呈正相關變化，說明加熱溫度會使細小的晶粒粗大化，晶粒的尺寸會發生較為明顯的長大，方向性逐漸消失。

3 結語

通過對實驗結果的分析討論，得到以下結論：

（1）發生一次短路，隨著加熱溫度的升高，孔洞面積比呈正相關變化，孔洞面積、熔痕面積會隨著溫度發生非線性變化。

（2）溫度越高，短路熔痕的晶粒會逐漸長大，方向性逐漸消失，平均晶粒面積與加熱溫度在銅導線熔點以下溫度范圍呈明顯正相關。

作者簡介：

江添翼，中國人民警察大學研究生三隊學員，研究方向：安全工程火災調查。

參考文獻：

[1] 張金專，蔣浩.不同受熱溫度下一次短路熔珠顯微特征分析[J].火災科學，2008（01）：63-66.

[2] Mitsuhashi， N.， Discrimination between Primary and Secondary??Arc Marks on Electric Wires by Microvoid Distribution， Reports??of the National Research Institute of Police Science 48：1，20-26??（1995）.

[3] 金開能.火災中銅導線一次短路熔痕特殊情形判定初探[A].中國消防協會.2014中國消防協會科學技術年會論文集[C].中國消防協會，2014：4.

[4] 韋媚媚，梁棟，趙哲.加熱溫度、時間和冷卻方式對黃銅金相組織的影響[J].廣東公安科技，2010，18（01）：48-53.

[5] 張明，邸曼，夏大維，張穎，齊梓博.銅導線短路熔痕內部孔洞形態特征參數的研究[J].消防科學與技術，2011，30（07）：651-654.

[6] 劉賁.3mm～2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[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2012（01）：309.