铜导线一次短路熔痕和接触不良熔痕金相组织研究

郑　赛

（中国人民武装警察部队学院研究生四队，河北　廊坊）

摘要：利用金相分析技术及photoshop图像处理技术，对铜导线不同火烧时间、不同冷却方式的一次短路熔痕及接触不良熔痕进行分析。通过研究发现，铜导线一次短路和接触不良熔痕在自然冷却条件下、射水冷却条件下所形成的金相组织均有所不同，且呈一定规律性。

关键词：铜导线；一次短路；接触不良；金相组织

1　引言

随着人民生活水平不断提高，电气火灾现场的复杂性、变化性日益增加，研究导线熔痕的金相组织受火场温度、加热时间以及消防射水影响的必要性日益增大。在以前，在遇到电气火灾时，火灾调查人员往往可以通过对铜导线金相组织的分析，来判断电器故障原因，但是往往忽视火场高温以及消防射水对铜导线金相组织的影响。目前，国内外还没有对于在先经过高温后由水冷却的情况下，铜导线短路熔痕和接触不良熔痕的金相组织的共同特点以及两者之间的差异的相关研究。

本文通过对不同火烧时间下，相同线径的铜导线短路熔痕及接触不良熔痕，进行火灾扑救过程模拟，利用金相显微镜观察铜导线火烧熔痕的金相组织特征，从横向、纵向两个方面相比较，找出不同条件下金属铜导线一次短路熔痕与接触不良熔痕的影响，以及高温、消防射水铜导线一次短路熔痕与接触不良熔痕的影响，从而为实际火灾物证鉴定工作提供更多的依据。

2　实验部分

2.1　实验材料及设备

2.1.1　实验设备

（1）4XCZ型金相显微镜（上海长方光学仪器有限公司制造），目镜管，三目镜管（倾斜30度眼瞳调节范围55～75mm），平场目镜：10×，平场消色差物镜：5×、10×、20×、40×，方台：150×200mm，移动范围：15mm×15mm，照明：6V、20W钨卤素灯，放大倍数：100～2500倍。

（2）Canon PowerShot A630数码照相机：最大分辨率为3264×2448/3648×2736，最大光圈F2.8～F4.1的4倍光学变焦镜头。

（3）火灾痕迹综合实验台（型号HZ-1型，输入电压380V，频率50Hz）。

（4）PG-2D型金相试样抛光机（中华人民共和国上海金相机械设备有限公司生产，抛光盘直径220mm，转速1400r/min）。

2.1.2　实验材料

（1）1.5m单芯聚氯乙烯铜导线：日常生活中常见的导线，线径较细，易发生接触不良，作为本次的实验对象。

（2）自凝式牙拖水、牙拖粉：用于镶嵌制备的试样。

（3）220＃、400＃、600＃、800＃、1200＃犀利牌金相砂纸：用于打磨制备的试样。

（4）无水乙醇、FeCl2-HCl溶液：作为侵蚀剂。

（5）氧化铝粉：抛光材料。

（6）剪子、剥线钳。

（7）插线板、电炉子。

2.2　实验方法

2.2.1　铜导线接触不良熔痕试样的制备

将铜导线切成约20cm长度，去掉头尾的聚氯乙烯外皮2cm。将插排插到220V电压插座上，关闭开关。准备两根制备好的铜导线插到插座上。准备好后打开插座开关，将电炉拆开露出导线线芯部分，用铜导线触碰电炉导线线芯半分钟，模拟铜导线接触不良过程，从而制备出铜导线接触不良熔痕。

将制备好的接触不良熔痕分别进行火烧加热，按火烧时间分为0.5min、1min、2min三大组，在接触不良熔痕试样制备好后迅速在液化石油气灶上灼烧，并用秒表计时。每一大组分为自然冷却组及射水冷却组，自然冷却组使经火烧后的试样自然冷却至室温，射水冷却组采用射水迅速冷却的方式，将经火烧后的试样喷水，使之温度急速下降。每种试样共制备4个。共计6种接触不良熔痕试样。试样标号见表1。

2.2.2　铜导线一次短路熔痕试样的制备

将铜导线切成约20mm长度，去掉头尾的聚氯乙烯外皮5cm。将火灾痕迹物证综合实验台的电焊机电压调制220V。利用电焊机，模拟铜导线一次短路过程，从而制备出铜导线接触不良熔痕。

将制备好的短路熔痕分别进行火烧加热，按火烧时间分为0.5min、1min、2min三大组，每一大组分为自然冷却组及射水冷却组，每种试样共制备4个。共计6种短路熔痕试样。试样标号见表2。

2.2.3　金相试样的选取、镶嵌、磨光以及侵蚀

（1）采集：在铜导线中提取短路熔痕及一次短路熔痕的部分，长度约2cm。

（2）镶嵌：将制备好的试样采用冷镶的方式，用自凝牙拖水和自凝牙拖粉作为原料，将制作的试样放入塑料碗中，加入调配好的自凝牙拖水和自凝牙拖粉加入并在常温下凝固。过20分钟左右后取样。

（3）打磨抛光：准备金相砂纸，放在光滑、干净、平整的玻璃板上，按照从小到大的顺序依次打磨。抛光好后将试样放在金相组织抛光机上进行抛光处理。

（4）侵蚀：本实验采用5g FeC、10mL 137%HCl和100mL蒸馏水的溶液作为侵蚀剂，侵蚀后用无水乙醇冲洗并用吹风机干燥。

2.2.4　金相试样的观察和记录

将制备好的试样第一时间通过金相显微镜进行观察，并用数码相机进行数据固定及采集。

3　实验结果

3.1　一次短路熔痕的金相组织特征分析

3.1.1　DZ-0熔痕的金相组织特征分析

一次短路熔痕的金相组织结构都是由细小的柱状晶或孢状晶组成。在对短路熔痕金相组织中进行观察时发现，气孔在其中均可以较为直观地找到（见图1、图2）。

3.1.2　一次短路经火烧后自然冷却的金相组织特征

本次实验便是模拟金属铜导线发生一次短路随后引发火灾这一过程，主要研究火烧对铜导线一次短路金相组织的影响。设定0.5min、1min、2min三个时间长度，从而观察火烧及火烧时间对于铜导线短路熔痕的影响。

3.1.2.1　对DZ-5的实验结果观察

铜导线在火烧0.5min时，一次短路的晶界变化并不明显，晶粒形貌依旧呈胞状晶或柱状晶，但晶粒明显增大。在铜导线内部，晶粒从受热面到非受热面呈逐渐增大的趋势，从边缘部分到内部逐渐增大这一显著过程，一次短路金相组织所形成的气孔，依然保持一次短路时的原有形貌（见图3、图4）。

3.1.2.2　对DZ-1的实验结果观察

当火烧时间延长至1min时，通过DZ-1可以看出，晶粒依然呈现沿一定方向平行长大的趋势，此时是晶粒已经成长为粗大柱状晶，晶粒是垂直于铜导线本体长大的，且界限较为明显清晰。观察DZ-1的气孔，靠导线内部的气孔依然明显，且在形貌上并无太大变化（见图5、图6）。

3.1.2.3　对DZ-2的实验结果观察

晶界十分明显，铜导线内部整体晶粒大小都十分均匀。在局部区域晶粒变得异常粗大，且出现在铜导线的末端，而熔痕处则是等轴晶，柱状晶的形貌已经消失不见，趋向于火烧熔痕，为粗大等轴晶，铜导线发生一次短路后所形成的气孔形貌依然清晰可见（见图7～图9）。

3.1.3　消防射水冷却的金相组织特征

本次实验便是模拟金属铜导线发生一次短路引发火灾随后进行消防射水迅速冷却这一过程，主要研究消防射水对铜导线一次短路金相组织的影响。设定0.5min、1min、2min三个时间长度，从而观察消防射水对于铜导线短路熔痕的影响。

3.1.3.1　对DS-5的实验结果观察

金相组织呈现出较均匀分布的趋势，其晶粒大小相较于DS-5并不均匀。在对DS-5的气孔进行观察时们发现，无论是熔珠上的气孔还是铜导线上的气孔，均没有太大的形貌变化，气孔均清晰可见（见图10～图12）。

3.1.3.2　对DS-1的实验结果观察

通过对DS-1的晶粒进一步观察发现，在非受火面部位，依然出现了铜导线边缘部分晶粒细小，内部粗大的特征，其晶粒形貌大小参差不齐，非常不规整，无论是熔珠上的气孔还是铜导线上的气孔，均没有太大的形貌变化，气孔均清晰可见（见图13～图15）。

3.1.3.3　对DS-2的实验观察结果

其金相组织整体上均为粗大等轴晶，原先的柱状晶形貌已经完全消失，且局部晶界明显，局部晶界较为模糊，其氧化程度较重，在铜导线熔痕与铜导线本体的过度区域已经没有明显界限，铜导线边缘部分的晶粒为较规整的多边形。气孔由于铜导线在高温下急速冷却出现了较严重的破损情况（见图16、图17）。

3.2　铜导线接触不良熔痕的金相组织特征分析

3.2.1　接触不良熔痕的金相组织特征分析

相比于铜导线一次短路熔痕，接触不良熔痕氧化程度较重。其晶界较为模糊，呈粗大胞状晶，在进行观察时，还注意到不仅熔痕和导线本体之间有明显的界线，在熔痕和熔痕之间也会出现明显的界限。此外，部分气孔出现了一定程度上的变形，其形貌与一次短路熔痕相比有较大区别（见图18～图20）。

3.2.2　接触不良熔痕经火烧后自然冷却的金相组织特征

本次实验便是模拟金属铜导线发生接触不良随后引发火灾这一过程，主要研究火烧对铜导线接触不良金相组织的影响。设定0.5min、1min、2min三个时间长度，从而观察火烧及火烧时间对于铜导线接触不良熔痕的影响。

3.2.2.1　对JZ-5的实验结果观察

晶界更为明显，但晶粒依旧很大，呈不规则的粗大晶体。在熔痕与熔痕之间依旧存在着较为明显的界限。金相组织中的大气孔和小气孔较为均匀地分布，晶粒到铜导线本体部分，由非受火面至受火面逐渐变大，铜导线本体部分的晶粒较未经火烧的接触不良熔痕相比较大（见图21、图22）。

3.2.2.2　对JZ-1的实验结果观察

铜导线在火烧1min时，其接触不良熔痕的金相组织晶界较JZ-5相比更为明显，晶粒很大，呈不规则的粗大晶体，铜导线本体部分的晶粒较JZ-5相比进一步长大，依旧存在着熔痕与熔痕之间的界限。金相组织中的大气孔和小气孔较为均匀地分布（见图23）。

3.2.2.3　对JZ-2的实验结果观察

金相组织晶界并不明显，晶粒很大，呈不规则的粗大晶体。金相组织中的大气孔和小气孔较为均匀地分布，晶粒到铜导线本体部分，由非受火面至受火面逐渐变大，熔痕部分氧化成度严重（见图24、图25）。

3.2.3　消防射水冷却的金相组织特征

主要研究消防射水对铜导线接触不良金相组织的影响。设定0.5min、1min、2min三个时间长度，从而观察消防射水对于铜导线短路熔痕的影响。

3.2.3.1　JS-5的实验结果观察

晶界同样更为明显，体积很大，呈不规则的粗大晶体。但自然冷却时熔痕与熔痕之间存在的界限消失，且熔痕的氧化程度加重。金相组织中的气孔数量有所增加，大气孔和小气孔较为均匀地分布，晶粒到铜导线本体部分，由非受火面至受火面逐渐变大，铜导线本体部分的晶粒较未经火烧的接触不良熔痕相比较大（见图26、图27）。

3.2.3.2　对JS-1的实验结果观察

晶界明显，体积很大，呈不规则的粗大晶体。自然冷却时熔痕与熔痕之间存在的界限消失，且熔痕的氧化程度进一步加重。金相组织中的大气孔和小气孔较为均匀地分布，晶粒到铜导线本体部分，由非受火面至受火面逐渐变大（见图28）。

3.2.3.3　对JS-2的实验观察结果

晶界模糊，体积很大，呈不规则的粗大晶体。自然冷却时熔痕与熔痕之间存在的界限消失，且熔痕的氧化程度进一步加重。金相组织中的大气孔和小气孔较为均匀地分布。通过进一步观察可以发现，晶粒到铜导线本体部分，由非受火面至受火面逐渐变大，铜导线本体部分的晶粒较未经火烧的接触不良熔痕相比较大（见图29）。

4　结论

通过以上分析，本文分别从氧化程度、气孔形貌、晶粒大小、晶粒形貌四个方面对铜导线一次短路熔痕及接触不良熔痕的金相组织进行了研究，根据观察与分析发现：

铜导线一次短路熔痕的金相组织本身为胞状晶或细小柱状晶，火烧后慢慢长大为粗大柱状晶，火烧2min后其柱状晶形貌消失，变为等轴晶。在自然冷却条件下，其晶粒的大小及氧化程度随着火烧时间的增加而逐渐变大，气孔及晶粒的形貌随着火烧时间增加，改变程度也随之变大。在射水冷却条件下，其四者变化情况同自然冷却时的变化趋势相同，但在气孔及晶粒形貌上总体与自然冷却条件下相比，更为不规则。

铜导线接触不良熔痕本身氧化程度较重，且金相组织受火烧影响较小。其晶粒本身呈粗大不规则曲边形，经火烧后变化不大。但接触不良会出现一种熔痕与熔痕之间的界限，随着火烧时间的增加，界限慢慢消失。在气孔的形貌上变化不大，均为大小均匀形状不规则。在自然冷却条件下，其气孔大小和形貌随着火烧时间的增加并无太大变化，但晶粒的大小以及形貌的改变程度随着火烧时间的增加而增加。在射水冷却条件下，其四者变化情况同自然冷却时的变化趋势总体上相同。

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