白铜熔痕金相分析研究
黄宝龙
（吉林长白山公安消防支队，吉林 长白山）
摘要：本课题通过对常见白铜三种熔痕金相组织的分析，总结了白铜一次、二次短路熔痕之间，以及火烧熔痕和短路熔痕之间的区别：白铜一次短路熔痕金相组织特点为气孔大且多，存在少部分小气孔，晶粒为细小的树枝晶；白铜二次短路熔痕金相组织特点是气孔少于一次短路，并且小气孔居多，晶粒为粗大的树枝晶；白铜的火烧熔痕金相组织特点是基本无气孔，晶粒为粗大的等轴晶。在一定程度上，能够为实际火灾现场对白铜熔痕的认定提供理论依据。
关键词：白铜；一次短路熔痕；二次短路熔痕；火烧熔痕；金相组织
1 引言
白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。白铜作为最常见的铜合金之一，具有较强的抗腐蚀性和导电性，延展性好、硬度高、富有深冲性能。白铜一般作为插头插片处、接插件、设备元件、精密仪器等使用，广泛运用于造船、石油化工、电气、仪表、医疗器具、日用品等领域。白铜与铜导线的材质完全不同，因此其熔痕的金相组织异于铜导线熔痕的金相组织，然而在GB/T 16840.4—2008《电气火灾原因技术鉴定方法》中并没有关于白铜熔痕的标准。目前国内外对于铜导线的研究较多，但对火灾现场中白铜的金相组织的研究较少。本文选择一种常见的白铜，制备一次短路、二次短路、火烧熔痕，分析三种熔痕的金相组织特征，总结规律，为鉴定白铜熔痕提供一定的理论依据。
2 试验内容
2.1 试验材料
试验材料：采用长17cm、宽1cm、厚度为1.5mm的白铜条。
其他耗材：三氯化铁盐酸水溶液（5g氯化铁50mL盐酸100mL水）、自凝牙托粉；自凝牙托水；抛光粉；无水乙醇；蒸馏水；400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸。
2.2 试验仪器
PG-2D型金相试样抛光机（上海金相机械设备有限公司制造）；4XCZ型金相显微镜（上海长方光学仪器有限公司制造）；Canon PowerShot A630数码照相机；HZ-1型火灾痕迹物证综合实验台。
2.3 试验方法
2.3.1 一次短路熔痕制备
用电焊把夹住铜导线，把白铜放接线端子上拧紧，电压调至交流电压220V，电流50A，频率50Hz，模拟一次短路条件，制备出铜导线和白铜之间的一次短路熔痕。同理，把铜导线换成白铜，制备出相应的一次短路熔痕。进行五组重复性实验，样品编号见表1。
表1 白铜一次短路样品编号
2.3.2 二次短路熔痕制备
用电焊把夹住铜导线，在接线端子上接一根导线，导线另一端缠绕在白铜上，将白铜悬空放置在距液化气灶上5cm处，上下可浮动1cm，加热十分钟，电压调至220V，电流50A，频率50Hz，模拟二次短路条件，制备出铜导线和白铜、白铜和白铜的二次短路熔痕。在不同的实验条件下各进行五组实验，制作五个白铜二次短路熔痕，样品编号见表2。
表2 白铜二次短路样品编号
2.3.3 火烧熔痕制备
加入汽油后点燃汽油喷灯，把火开到最大，用镊子夹住白铜放在外焰上燃烧20min后逐渐调小火焰，直至火焰熄灭。在此实验条件下制作五个白铜的火烧熔痕，其编号见表3。
表3 白铜火烧试样编号
3 实验结果
3.1 白铜一次短路熔痕金相组织
如图1、图2所示，白铜和铜导线一次短路熔痕的金相组织显示。① 气孔方面：金相组织中气孔数量较多，以大气孔为主，形状较规则，分布均匀；② 晶粒方面：晶粒以较细小的树枝晶为主，晶界较细，晶粒生长具有一定的方向性。
图1 铜-白铜-1样品（400×）
图2 铜-白铜-2样品（400×）
如图3、图4所示，白铜和白铜一次短路熔痕的金相组织显示。① 气孔方面：金相组织中气孔数量十分多，以小气孔为主，有少部分大气孔，形状较规则，分布均匀；② 晶粒方面：晶粒以较细小的树枝晶为主，晶界较细，且生长具有一定方向性。
图3 白铜-白铜-1样品（400×）
图4 白铜-白铜-2样品（400×）
3.2 白铜二次短路熔痕金相组织
如图5、图6所示，白铜和铜导线金属材料二次短路熔痕的金相组织显示。① 气孔方面：金相组织与一次短路相比气孔数量较少，以小气孔为主，大气孔更少，气孔形状较规则，分布均匀；② 晶粒方面：晶粒以树枝晶和部分胞状晶为主，晶粒较小，晶界较细，且生长更具有方向性。
图5 二次铜-白铜-1试样（400×）
图6 二次铜-白铜-2试样（400×）
如图7、图8所示，白铜和白铜二次短路熔痕的金相组织显示。① 气孔方面：金相组织中气孔数量较多，以小气孔为主，有少量大气孔，气孔形状较规则，分布均匀；② 晶粒方面：晶粒以细密树枝晶为主，晶界较细，且晶粒的生长十分具有方向性。
图7 二次白铜-白铜-1试样（400×）
图8 二次白铜-白铜-2试样（400×）
3.3 白铜火烧熔痕金相组织
如图9、图10所示，白铜火烧熔痕金相组织与短路熔痕差异明显。① 气孔方面：金相组织中无气孔；② 晶粒方面：晶粒为粗大的等轴晶，晶界较细，等轴晶的生长无方向性。
图9 火烧白铜-1试样（400×）
图10 火烧白铜-2试样（400×）
3.4 分析与讨论
3.4.1 白铜一、二次短路熔痕和火烧熔痕金相组织对比分析
白铜和铜导线等一次短路熔痕金相组织特点气孔多，并且气孔大多数为大气孔，少部分为小气孔，晶粒为细小的树枝晶。白铜二次短路熔痕金相组织特点是气孔多，并且小气孔居多，晶粒为粗大的树枝晶。而白铜的火烧熔痕金相组织特点是基本无气孔，晶粒为粗大的等轴晶。在发生一次短路时，短路点处先熔成一个小熔池，然后结晶成铸态组织，其是瞬间在相当大的过冷度和冷却速度下形成的，不同于一般熔痕，所以生成细小的树枝晶。而二次短路熔痕结晶时的环境温度为火烧温度，其冷却速度比较缓慢，过冷度相对较小，因为白铜中有大量合金，在这种情况下，二次短路熔痕就形成了方向性更明显的树枝晶，而火烧熔痕是在火焰的灼烧下形成的，它的过冷度和冷却速度相对于一次短路来说比较小，形成了粗大的等轴晶。火烧熔痕在火焰灼烧时，周围温度较高，其冷却速度缓慢，凝固时间长，在白铜融化时，溶解的气体有充分逸出时间，所以火烧熔痕的金相组织基本没有气孔。白铜一二次短路时冷却速度快，过冷度大，凝固的时间比较短，其吸收的气体还没有来得及逸出就被留在组织里，所以会形成大量的气孔。
3.4.2 白铜一、二次短路熔痕金相组织对比分析
白铜和铜导线等一次短路熔痕金相组织特点气孔多，并且气孔大多数为大气孔，少部分为小气孔，晶粒为细小的树枝晶。白铜二次短路熔痕金相组织特点是气孔多，但是比一次短路熔痕金相组织气孔少，并且气孔也比一次短路的小，晶粒为粗大的树枝晶。在实验中，一次短路熔痕的气孔比二次短路熔痕的气孔多而且也比其的大的原因是一次短路时，冷却速度快，熔痕的凝固时间短，气体来不及逸出，所以有大量的气体停留在其中形成气孔。二次短路的冷却速度慢，凝固的时间较一次短路时间长，气体大部分逸出，少量的气体才形成气孔。在一次短路中，过冷度较大，所以形成了细小的树枝晶。二次短路和一次短路比较，冷却速度较慢，过冷度也不及一次短路的大，就形成了相对粗大且方向性略强的树枝晶。
4 结论
在经过对白铜和铜导线的一次和二次短路熔痕以及白铜火烧熔痕金相组织的观察可以发现以下规律。
（1）白铜和铜导线等一次短路熔痕金相组织特点气孔多，并且气孔大多数为大气孔，少部分为小气孔，晶粒为细小的树枝晶。
（2）白铜二次短路熔痕金相组织特点是气孔多，但是比一次短路熔痕金相组织气孔少，小气孔居多，晶粒为方向性明显的树枝晶。
（3）白铜的火烧熔痕金相组织特点是基本无气孔，晶粒为粗大的等轴晶。
（4）白铜一、二次短路熔痕和火烧熔痕金相组织之间较容易分辨出来，而一次短路熔痕和二次短路熔痕金相组织辨别则需要从气孔大小以及树枝晶的枝晶间距来更好地判断。
参考文献
[1] GB/T 16840. 4—2008[S].
[2] 王希庆，韩宝玉，邸曼. 电气火灾现场勘查与鉴定技术指南[M]. 沈阳：辽宁大学出版社，1996.
[3] 高强. 最新有色金属金相图谱大全[M]. 北京：冶金工业出版社，2005.
[4] 刘金坤. 材料形成基本原理[M]. 北京：机械工业出版社，2005.
[5] 路俊攀，李湘海. 加工铜及铜合金金相图谱[M]. 长沙：中南大学出版社，2010.