圖 1銅導線一次短路熔痕制備試驗電路圖
一次短路熔痕是認定電氣火災的重要物證,在火災調(diào)查中發(fā)揮著重要作用[1－3],如何準確判定火災現(xiàn)場的一次短路熔痕是國內(nèi)外學者研究的重點[4－6]。現(xiàn)有的銅導線熔痕理論認為：一次短路熔痕是在火災發(fā)生前快速凝固而成的,凝固時具有較大的過冷度,凝固后顯微組織為細小的胞狀晶。火災調(diào)查研究人員將細小胞狀晶作為一次短路熔痕的定性特征,用于鑒定火災物證[7]。在實際火災調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在復雜的火災環(huán)境中,銅導線一次短路熔痕形成后會繼續(xù)受熱,受熱溫度高于600 ℃時,材料的顯微組織發(fā)生變化[8－11]。目前,關于火災中銅導線一次短路熔痕顯微組織定性特征轉(zhuǎn)變的臨界條件,以及純銅快速凝固組織再結(jié)晶規(guī)律的研究均少有報道,因此在進行復雜火災環(huán)境中銅導線短路熔痕的鑒定工作時,缺少科學的理論依據(jù)及準確的技術手段,致使火災原因認定工作不能順利開展。
筆者通過定性模擬試驗制備了銅導線一次短路熔痕,根據(jù)火災燃燒的溫度規(guī)律對銅導線一次短路熔痕進行不同程度的高溫處理,對比分析其顯微組織、顯微硬度等特征在受熱前后的變化情況,研究了銅導線一次短路熔痕顯微組織的再結(jié)晶規(guī)律和定性特征轉(zhuǎn)變的臨界條件,進一步完善了銅導線熔痕理論,同時為火災物證鑒定提供了新的技術依據(jù)。
1. 試樣制備和試驗方法
1.1 試樣制備
選用Cu元素質(zhì)量分數(shù)為99.50%的紫銅導線。按照圖1搭建一次短路熔痕制備電路,采用一次短路熔痕制備裝置制備銅導線一次短路熔痕。
使用可控溫箱式電爐,參照表1分別對銅導線一次短路熔痕進行高溫處理。電爐的升溫速率為20 ℃/min,爐溫穩(wěn)定度為±3 ℃,然后對處理后的熔痕試樣進行空冷。
Table 1.一次短路熔痕高溫處理方法
1.2 試驗方法
依據(jù)GB/T 16840.4—2021 《電氣火災痕跡物證技術鑒定方法 第4部分：金相分析法》,采用光學顯微鏡對一次短路熔痕進行金相檢驗,分析熔痕的顯微組織形貌和晶粒面積。選取具有胞狀晶特征的熔痕,采用原位對比的方法分析熔痕同一處金相磨面受熱前后的顯微組織,分析一次短路熔痕胞狀晶的再結(jié)晶特征。
使用掃描電鏡(SEM)觀察一次短路熔痕金相試樣,分析熔痕受熱后顯微組織的變化。
依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,使用顯微硬度儀對一次短路熔痕進行顯微硬度測試,壓痕間距為0.5 mm,保持力為0.098 N,保持時間為15 s。
2. 試驗結(jié)果
2.1 顯微組織
圖2為不同受熱條件下銅導線一次短路熔痕的顯微組織形貌。由圖2可知：銅導線一次短路熔痕的原始顯微組織呈細小的胞狀晶特征；一次短路熔痕在600 ℃的高溫中持續(xù)受熱200 min,其顯微組織均呈細小的胞狀晶特征；當一次短路熔痕受熱至700 ℃,保溫時間為100 min時,熔痕中可見呈柱狀晶特征的胞狀晶團,晶團外輪廓線形成的晶界逐漸明顯,尺寸明顯大于原始的胞狀晶,但大晶界內(nèi)仍可見細小的胞狀晶,當保溫時間為200 min時,大晶界逐漸明顯,細小胞狀晶特征逐漸弱化,但在顯微鏡下仍可分辨；當一次短路熔痕受熱至800 ℃時,隨著受熱時間的延長,顯微組織中的胞狀晶特征逐漸消失,柱狀晶特征逐漸明顯,晶粒面積明顯增大。
表2為不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的計算結(jié)果,圖3為不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的變化曲線。由表2和圖3可知：銅導線一次短路熔痕原始晶粒面積的平均值為44.29μm2；一次短路熔痕在受熱溫度為600 ℃,保溫時間為200 min時,晶粒面積與原始晶粒基本一致,未發(fā)生明顯變化；一次短路熔痕在受熱溫度為700 ℃,保溫時間為200 min時,晶粒面積較原始晶粒有所增大；當一次短路熔痕受熱至800 ℃時,隨著保溫時間的延長,晶粒面積明顯增大,當保溫時間為100 min時,晶粒面積測量值的離散系數(shù)為78.17%[12],說明被測晶粒面積的離散程度較大,該熔痕的晶粒面積分布不均勻,當保溫時間為200 min時,晶粒面積較原始晶粒增大了708.61%。
Table 2.不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的計算結(jié)果
2.2 硬度測試
表3為不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測試結(jié)果,圖4為不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度變化曲線。由表3和圖4可知：一次短路熔痕硬度低于未熔化的導線基體；隨著受熱溫度的升高及保溫時間的延長,熔痕硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,這一過程符合純銅在退火狀態(tài)下力學性能與溫度的關系[13]；當受熱溫度為800 ℃,保溫時間為100 min時,一次短路熔痕的硬度明顯下降,說明熔痕內(nèi)的胞狀晶已完成再結(jié)晶,由排列較為致密的細小胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇缶Ы缰鶢罹?。晶界?shù)量降低和晶粒形態(tài)轉(zhuǎn)變會導致熔痕的硬度進一步降低。
Table 3.不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測試結(jié)果
2.3 掃描電鏡分析
銅導線一次短路在室溫環(huán)境中發(fā)生,在短路瞬間產(chǎn)生的液態(tài)銅短時間內(nèi)獲得了很大的過冷度,隨后發(fā)生大量形核,并在隨后的快速凝固階段因平面凝固、界面失穩(wěn)而形成有大量細小胞狀晶結(jié)構的一次短路熔痕。細小的原始胞狀晶有大量銳角晶界,晶粒沿銳角晶界不斷進入周圍具有相同排列特征的相鄰晶粒中,以合并晶界的方式生長,最終形成柱狀晶界(見圖5)。
3. 綜合分析
在短路瞬間產(chǎn)生的液態(tài)銅快速凝固,形成了細化凝固組織,組織繼續(xù)受熱會發(fā)生再結(jié)晶,且再結(jié)晶過程受到加熱溫度和保溫時間的影響[14－15]。銅導線一次短路熔痕形成后存留在火場中,隨火場環(huán)境溫度的變化還將經(jīng)歷受熱及空冷過程,這一過程與銅的退火過程一致,為細小胞狀晶結(jié)構的再結(jié)晶提供了外在條件和驅(qū)動力[16－17]。當熔痕持續(xù)受到外部熱量后,胞狀晶的銳角晶界更易按照晶界弓出的機制形核,并進入再結(jié)晶階段[18],原始的一次短路熔痕中具有大量相同排列特征的胞狀晶團,這些晶團均可按照晶界弓出機制再結(jié)晶。各晶團邊界的尺寸差別較大,因此再結(jié)晶后柱狀晶的晶粒面積分布不均。
圖6為短路熔痕顯微組織的形成機制。傳統(tǒng)的熔痕理論認為短路熔痕顯微組織在短路時形成,并在火災中穩(wěn)定存在,采用金相檢驗方法能夠判定熔痕的熔化性質(zhì),該理論為區(qū)分火場熔痕提供了重要的技術方向?；诙搪啡酆郯麪罹У脑俳Y(jié)晶機制,可將傳統(tǒng)的熔痕理論進一步完善,將短路熔痕的形成過程分為3個階段。
(1) 熔化階段。銅導線發(fā)生短路故障后,短路點處的銅導體快速熔化形成高溫液態(tài)Cu,同時與未熔化的銅導線之間形成固液界面γ1,與周圍的環(huán)境氣氛形成氣液界面γ2。固液界面γ1的出現(xiàn)形成了短路熔痕的過渡區(qū)γ1′,短路的劇烈程度、液態(tài)Cu的質(zhì)量及其與環(huán)境氣氛的混合程度,決定了γ2的面積和形態(tài)[19]。
(2) 凝固階段。高溫液態(tài)Cu在較高的過冷度下快速凝固,熔痕中的固液界面γ1開始向氣液界面γ2推移,固液界面γ1經(jīng)過的熔痕區(qū)域形成了細小胞狀晶。當γ1推進至γ2時,固液界面γ1和氣液界面γ2合并,熔痕完成凝固,內(nèi)部的顯微組織主要為快速凝固階段的細小胞狀晶；同時形成新的固氣界面γ2′,即熔痕的宏觀形貌及內(nèi)部孔洞[20]。
(3) 再結(jié)晶階段。已凝固的熔痕在火災環(huán)境中繼續(xù)受熱,熔痕中最初形成的細小胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶,并隨火災環(huán)境冷卻。再結(jié)晶階段熔痕不再熔化,γ2′穩(wěn)定存在,熔痕形狀不發(fā)生變化。
4. 在電氣火災物證鑒定中的應用
電氣火災物證鑒定主要依靠熔痕的宏觀形貌、顯微組織、孔洞特征判定其熔化性質(zhì)。其中,胞狀晶為一次短路熔痕判定的主要依據(jù),柱狀晶為二次短路熔痕判定的主要依據(jù)。銅導線基體的顯微組織為細小等軸晶,一次短路發(fā)生后因快速凝固而形成細小胞狀晶,二者差別較大[見圖7a),7b)]。一次短路熔痕持續(xù)受熱,胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶,轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹見圖7c)]。柱狀晶是銅導線二次短路熔痕的主要判據(jù)之一,因此僅通過顯微組織判定熔痕,可能將發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變的一次短路熔痕誤判為二次短路熔痕。針對這一情況,在進行電氣火災物證鑒定時,首先要了解熔痕提取部位的燃燒溫度和燃燒時間等火場信息,充分了解熔痕在火災全過程的受熱過程,結(jié)合熔痕宏觀形貌、內(nèi)部孔洞特征及火場信息綜合判定,得出準確的鑒定結(jié)論,為火災原因認定提供科學的技術依據(jù)。
5. 結(jié)論
銅導線一次短路熔痕的形成過程為熔化、凝固、再結(jié)晶,當熔痕受熱溫度為800 ℃,保溫時間為100 min時,顯微組織的胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶并轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?再結(jié)晶的柱狀晶晶粒面積分布不均勻。
當利用顯微組織特征判定電氣火災物證的熔化性質(zhì)時,首先要了解熔痕提取部位的燃燒溫度、燃燒時間等火災現(xiàn)場信息,充分了解熔痕在火災全過程的受熱過程,并結(jié)合熔痕宏觀形貌、內(nèi)部孔洞結(jié)構特征及火場信息綜合判定,得出準確的鑒定結(jié)論。
文章來源——材料與測試網(wǎng)