多股铜导线一次短路熔痕的多层金相分析

 摘 要：近年来电气火灾数目日益增长，给社会带来大量的人员和财产损失。其中金相法是目前我国鉴定电气火灾的一种主要方法，因此加强对金属熔痕金相的研究，对提高火灾物证鉴定的准确性具有重要意义。传统的金相法获得是试样金相组织的二维形貌，研究人员根据其二维形貌推测熔痕的形成原因。本文将通过对在不同条件的多股铜导线一次短路熔痕多层截面进行金相分析，探究熔痕在空间上的变化情况，以此来总结不同条件下多股铜导线一次短路熔痕金相组织的空间变化规律。本实验模拟火灾现场条件，对熔痕进行了不同温度和时间的马弗炉高温环境加热和常温处理，并制成金相试样，利用金相显微镜观察导线的金相组织特征，对比分不同环境温度不同受热时间不同层面上导线熔痕的金相组织差异。结果表明：400℃低温条件下，加热时间对熔痕晶粒影响不大；600℃条件下，晶粒开始长大；800℃条件下加热15分钟后，组织接近火烧熔痕组织。通过观察多层截面，可以看出熔珠边缘、熔珠中间与和导线衔接处的过渡区金相组织有明显不同，孔洞分布有一定规律性。金相组织与观察熔痕的部位有关，不同层面的金相组织也有变化。通过对熔痕的多层观察可以总结归纳金相组织在空间上的变化趋势和规律。通过对本课题的研究，可以完善金相分析技术在导线熔痕鉴定中的方法。
关键词：金相分析；多股铜导线；显微组织

Multilayer metallurgical study of multi-strand Copper conductor’s primary short circuit melting mark
Abstract: The number of electrical fire in recent years is growing, a lot of personnel and property losses have been brought to the society. Metallographic method is the main method for the identification of electrical fire, so strengthening the study of melting trace is of great significance to improve the accuracy of fire material evidence identification. Traditional metallographic method can just obtain sample microstructure of two-dimensional morphology, the researchers look for the reasons for the formation of melt mark according to the two-dimensional morphology. This article through multilayer sectional metallographic analysis for multiple strands of copper conductor’s first short circuit melting trace in different conditions explore the changes of melt mark. In order to summarize the space change rule of microstructure for many-strands copper short circuit melting trace on different conditions, this experiment simulated the condition of the environment in fire. The melting traces get heating at different temperature in furnace of high temperature and room temperature, and metallographic specimen. By means of observing through microscope microstructure characteristics of the wire and the different environmental temperature，comparison and analysis of difference microstructure have been found. Results show that on the low temperature condition, the heating time has nothing to do with melt mark, under the condition of high temperature, grain growth, close to melting traces of fire. By observing the multilayer section, you can see edge bead, bead with middle and wire connection in microstructure of transition region have obviously different, hole distribution has certain regularity. Microstructure is associated with observation of melt mark parts, different levels of the organization also have change. Through layers of weld mark observation can summarize the trends of microstructure on the space and the law. This research can improve metallographic analysis technology in the wire welding mark identification method.
Keywords: metallographic analysis; multi-strand copper wire; microstructure
目 录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目录 Ⅲ
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 国内外电气火灾痕迹物证鉴定方法研究的现状 3
1.2.1国外熔痕研究现状 3
1.2.2国内熔痕研究现状 4
1.3 本文研究的内容和意义 4
2 实验部分 6
2.1 实验设备与材料 6
2.1.1实验设备 6
2.1.2实验器材 6
2.2样品制备 6
2.2.1导线实验样品制备 6
2.2.2金相试样的制备 7
2.3 实验样品的观察、分析和记录 7
3 实验结果与分析 8
3.1实验结果 8
3.2 分析与讨论 12
3.2.1不同环境温度对导线金相组织的影响 12
3.2.2不同加热时间对导线金相组织的影响 12
3.2.3 不同层面上金相组织的变化 13
4 结论 31
参考文献 32
致 谢 33

1 绪论
1.1课题背景
随着社会的不断进步，用电器的品种逐渐变多，使用愈发的变得普及，随着而来的用电器故障导致的火灾也与日俱增，近几年电气故障引发的火灾数目也呈现上升趋势。在我国，按起火直接原因分类标准，电气火灾一般是指由电气线路、用电设备、器具以及供配电设备发生的故障，并且释放高温电弧、电火花等热能，在具备燃烧条件下引燃本物体或其他可燃物而造成火灾。同时，我国电气火灾在火灾原因和火灾直接损失方面都排在各类火灾统计数目的首位，如图1-1、1-2所示 。2000-2007年，全国共发生建筑电气火灾19.7万起，占同期公安消防部门统计火灾总数的28.23%[1]。

图1-1 2000年至2010年电气火灾所占火灾起数百分比变化趋势图

图1-2 2000年至2007年电气火灾所占火灾直接损失变化趋势图
正因为如此，电气火灾对人民的生活，甚至是生命带来巨大的危害，会给人们的心理造成巨大的影响，社会对于电气火灾非常重视，准确调查每一起火灾寻找物证查找原因是非常必要的。据统计表明，近十年来,造成我国电气火灾发生的主要原因有短路、过负荷、接触不良和其他电气故障。[4]其中短路时引发重大电气火灾最严重的故障形式，占百分比高达50.73%[2-3]。

图1-3 电气火灾物证痕迹种类
由目前我国火调过程中的实际情况看，电气火灾现场残留物的鉴定结论是电气火灾原因认定和排除的重要证据[5]，而电气火灾现场残留物多以导线熔痕的形式出现，电气火灾物证熔痕就是导线在火场火焰、导线过载或者电气导线短路电弧高温作用下形成的圆形、凹坑状、瘤状、尖状或者其他不规则形状的微熔化或全熔化痕迹。GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》根据导线熔痕形成的原因不同，将其主要划分为三大类[6]：
（1）一次短路熔痕
（2）二次短路熔痕
（3）火烧熔痕
从三种熔痕的定义中可以看出，三种熔痕的发生时间点不同，一次短路熔痕往往发生在火灾前，而二次短路熔痕和火烧熔痕发生在火灾发生后，因此三种熔痕对于电气火灾原因的认定结论的证明作用也大不相同，一般只要火场中找到一次短路熔痕，与相关的证据联系到一起，就可以认定该起火灾为电气故障引起的[7]。目前我国的电气火灾物证的鉴定，多为鉴定电气线路熔痕类型，为调查火灾原因提供有力证据。大多数的专业鉴定人员都是使用GB16840《电气火灾原因技术鉴定方法》中的金相法，同时结合其他相应的方法和多年的鉴定经验，对送检的导线熔痕进行认定的，其中金相法的鉴别依据是这么规定的[7]：
（1）火烧熔痕：火烧熔痕的金相组织呈现粗大的等轴晶，无孔洞，个别熔珠磨面有极少缩孔；
（2）一次短路熔痕与二次短路熔痕区别：①一次短路熔痕的金相组织呈细小的胞状晶或柱状晶；二次短路熔痕的金相组织被很多气孔分割，出现较多粗大的柱状晶或粗大晶界。②一次短路熔珠金相磨面内部气孔小而较少，并较整齐；二次短路熔珠金相磨面内部气孔多而大，且不规整。③一次短路熔珠与导线衔接处的过渡区界限明显；二次短路熔珠与导线衔接处的过渡区界限不太明显。④一次短路熔珠晶界较细，孔洞周围的铜和氧化亚铜共晶体较少、不太明显；二次短路熔珠晶界较粗大，孔洞周围的铜和氧化亚铜共晶体较多，而且较明显。⑤在偏光下观察时，一次短路熔珠孔洞周围及洞壁的颜色不明显；二次短路熔珠孔洞周围及洞壁呈鲜红色、桔红色。
1.2 国内外电气火灾痕迹物证鉴定方法研究的现状
1.2.1国外熔痕研究现状
目前，日本，美国、瑞士等国家，在电气火灾原因认定铜导线熔痕鉴定方面形成了自己的鉴定技术：
日本在管状炉装置中，输入氮、二氧化碳时则通过带硅椽胶玻璃阀[8]，经减压而送入管状炉内，形成不同环境气氛条件下的一次短路熔痕和二次短路熔痕，并进行了外貌特征、金相组织、微观形貌等特征比较性观察，得出了一组有价值的结论：一次短路熔痕难以引起铜组织初晶的生长，却几乎全部被细微的共晶组织所占;二次短路熔痕在共晶发生之前，铜的初晶已具有生长特征；日本学者EUI-PYEONG LEE 等人采用扫描电子显微镜、x-射线散射分析仪作了形貌观察和表面成分分析，并采用拉曼光谱对熔痕中碳化残留物结构进行鉴定，得知一次短路熔痕中含石墨化碳和不定形碳，而二次短路中只含不定形碳[9-10]，并且可通过测定晶体中树枝状结晶臂间距和氧化物浓度来估计造成短路熔痕的环境温度[11]。
美国采用金相检验分析技术，基于微观结构，确定铜导线熔痕是火烧加热所致还是电流通过导体产生高热而形成，用以鉴定火烧熔痕和短路熔痕[12]。
瑞士采用表面分析方法，着重分析火场提取的导线熔痕表面附着物，来判定熔痕原因，但熔痕表面成分数据，由火灾燃烧复杂程度决定，分散性较大[13]。
总之，国外对导线熔痕鉴定十分重视，通过火灾后导线外观检查法判断熔痕特性，并采用金相分析技术，判断是火烧熔痕还是短路熔痕[14]。
1.2.2国内熔痕研究现状
在火灾物证鉴定中，我国主要使用以下几种方法进行鉴定，如微观形貌法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、模拟实验法等。其中较常用的是金相分析法。但是，金相法实施十几年的标准只是从宏观和微观现象上描述了鉴定的依据，对几种熔痕进行比较，而真正运用它还需要丰富的实践经验，现存的国内对于火灾金属熔痕的研究大多集中于实验室模拟研究。由于现有文献都是运用普通金相学的知识，从二维平面来研究铜合金熔痕，做熔痕的纵切面或者横切面来观察熔痕的金相组织。如国内使用扫描电子显微镜对铜导线短路熔痕进行了研究，取得了阶段性成果。如一次短路的孔洞均匀，细密，有明显树枝晶、柱状晶和共析组织，熔珠断面和基体断面呈抛物线性卵形花样等[15]。
1.3 本文研究的内容和意义
综上所述，目前电气火灾的影响大，鉴定难，实际鉴定中主要通过对试样的二维截面的观察，加上火调人员的经验推测熔痕形成原因，为了进一步提高物证鉴定的精确性，必须对电气火灾熔痕物证进行进行全面、深入的研究，探究其内部结构和空间变化规律。然而从不同方位研究某一局部的金相组织尚未见到报道。虽然有部分对于金相组织的深入研究，但主要集中于对合金进行深腐蚀，来观察其立体形貌，且材料学界的研究工作者所面对的材料都是相对较大，组织形态也较均匀，很少遇到需要对一块较小的材料进行多方位研究的必要。对于金相组织的多层观察至今尚未见到文献报道。如果能正确认识火灾中铜导线熔痕的微观组织的形貌和空间变化规律，对于揭示火灾的形成原因有非常大的帮助。针对这些问题 ，本文将结合实验结果和观测到的数据，探究熔痕不同截面微观形貌的变化，总结熔痕内部空间变化规律，对帮助火调人员精确判断物证，查找原因，预防火灾发生，消除消防隐患具有积极意义。