高温金相在研究铝导线二次短路熔痕组织中的应用

孟 威

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

电气火灾是指由于用电设备、电气线路、用电器具以及供电设备发生了故障，释放出热量，在一定条件下引燃本体或其他周围可燃物而造成的火灾。根据我国火灾事故统计，电气火灾占据了我国所有火灾事故的近四成，是我国常见的火灾原因之一。火灾现场一般破坏严重，无法提取到直接证据，只能通过分析现场形成的痕迹及燃烧残留物来寻找火灾原因，而电气火灾现场留下最多并且最可靠的物证是导线熔痕及导线喷溅熔珠，火调人员通过分析现场提取的熔痕或者熔珠判断是否发生短路，是一次短路还是二次短路，而判断的方法通常采用金相法[1-2]。

随着金相分析技术的广泛应用，关于铝导线短路研究发表的文章越来越多。马景强详细论证了火烧熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕的金相特征，指出金相鉴定技术在实际火灾调查中具有重要指导作用[3]；王书运等模拟不同的火灾环境，在实验室内制备铝导线熔痕，表明显微结构出现树枝晶和柱状晶时,能基本判定导线为一次短路所致[4]。刘伟提到将凝固后的铝导线短路熔珠在不同温度环境下加热，其金相组织是不同的。随着加热温度的增加，铝导线短路熔珠的等轴晶晶粒将逐渐加大，呈粗大的等轴晶[5]。本文采用常温金相和高温金相对铝导线二次短路熔痕进行分析，为火调人员判断熔痕类别提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：截面积为2.5 mm2、4 mm2的聚氯乙烯单芯铝导线、自凝牙托粉、自凝牙托水、金相模具、金刚石金相试样抛光粉、HF溶液、蒸馏水、NaOH粉末、无水乙醇、502胶水。试验仪器：火灾痕迹综合实验台，蔡司金相显微镜，金相试样抛光机，蔡司高温热台显微镜。

1.2 试验内容

利用火灾痕迹综合实验台在电压为220 V、电流为30 A、210 A、频率为50 Hz的条件下分别制备3组2.5 mm2、4 mm2聚氯乙烯单芯铝导线的二次短路熔痕，并进行宏观拍照。对制备的样品进行镶嵌、磨制、抛光、浸蚀，获得金相试样，将制备好的金相试样使用金相显微镜观察并拍照记录。常温下观察结束后，使用砂纸将熔痕除腐蚀面以外其他面打磨，保证试样腐蚀面能够保持不变，再使用高温热台金相显微镜对试样边加热边观察拍照记录。

2 试验结果

2.1 二次短路熔痕试样常温金相组织特征

观察截面积2.5 mm2、4 mm2铝导线分别在30 A、210 A电流下形成的二次短路熔痕常温金相组织特征。如图1～4，电流为30 A形成的二次短路熔痕，其金相组织主要是由柱状晶或胞状晶组成，晶粒细小、密集，晶界明显但不规则，越靠近气孔处晶粒越小，气孔相对较小，内壁粗糙，数量较多，并且气孔大多分布在熔痕边缘附近。电流为210 A形成的二次短路熔痕，其金相组织主要是由柱状晶或胞状晶组成，晶粒细小、密集，晶界明显但不规则，越靠近气孔处晶粒越小，气孔大，内壁粗糙，数量较多，并且气孔大多分布在熔痕边缘附近。对比电流为30 A和210 A二次短路熔痕金相组织，210 A电流形成的熔痕中气孔直径更加大更加明显，气孔内壁更加粗糙。对比同一电流下不同截面积铝导线二次短路熔痕金相组织，截面积4 mm2导线形成的短路熔痕金相组织晶粒形状明显，体积较大。

图1 试样1(2.5 mm2，30 A)200×下金相组织

图2 试样5(2.5 mm2，210 A)200×下金相组织

图3 试样10(4 mm2，30 A)100×下金相组织

图4 试样16(4 mm2，210 A)100×下金相组织

2.2 二次短路熔痕试样高温金相组织特征

图5～10为2.5 mm2铝导线二次短路熔痕在不同温度下200×金相组织图片。当温度为初始温度25 ℃时，截面积为2.5 mm2的铝导线二次短路熔痕金相组织晶粒细小且密集，晶界细微；当温度上升至300 ℃时，熔痕表面颜色变深轻微发乌，晶粒晶界无明显变化；当温度上升至400 ℃时，熔痕表面颜色变深发乌，晶界逐渐明显；当温度上升至500 ℃时，熔痕金相组织晶界明显，晶粒轻微长大，部分气孔在逐渐缩小；当温度上升至600 ℃时，部分气孔在缩小，几个气孔已经消失。当温度上升至668 ℃时，熔痕熔化无法观察金相组织。

图5 温度25 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图6 温度300 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图7 温度400 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图8 温度500 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图9 温度600 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图10 温度668 ℃时金相组织(2.5 mm2,200×)

图11～16为4 mm2铝导线二次短路熔痕在不同温度下100×金相组织图片。当温度为初始温度27 ℃时，截面积为4 mm2的铝导线二次短路熔痕金相组织由柱状晶或胞状晶组成，晶界明显，气孔大而不规则；当温度上升至300 ℃时，熔痕表面颜色变深轻微发乌，晶粒晶界无明显变化；当温度上升至400 ℃时，熔痕表面颜色变深发乌，晶界逐渐明显；当温度上升至500 ℃时，熔痕金相组织晶界明显，晶粒轻微长大，部分气孔在逐渐缩小；当温度上升至600 ℃时，部分气孔在缩小，几个气孔已经消失。当温度上升至687 ℃时，熔痕熔化无法观察金相组织。

图11 温度27 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

图12 温度300 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

图13 温度400 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

图14 温度500 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

图15 温度600 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

图16 温度687 ℃时金相组织(4 mm2,100×)

通过对比两种线径铝导线二次短路熔痕在不同温度下的金相组织发现，铝导线二次短路熔痕金相组织受到温度影响。当温度在500 ℃之前，熔痕金相组织几乎没有改变，当温度达到500～600 ℃时，金相组织会发生改变，晶粒轻微长大，部分气孔逐渐缩小甚至消失。

2.3 结果分析

火灾现场形成二次短路熔痕时，导线持续受热，当二次短路熔痕结晶时，导线周围环境温度较高，熔痕冷却速度较为缓慢，过冷度比较小。因此形成的金相组织主要以粗大柱状晶或胞状晶为主，形成过程中空气充满了绝缘层燃烧产物，导致其金相组织中气孔大、数量多、内壁粗糙、形状不规则[6]。由于铝的熔点(660 ℃)低，试验线径较小，制备二次短路熔痕时，绝缘层容易损坏发生短路，此时周围环境温度并不是特别高，与高温电弧温度相差较大，故过冷度比较大，冷却速度较快，因而二次短路熔痕生长成了以柱状晶或胞状晶为主的细小组织。当形成熔痕时，短路熔融点与空气接触，且此时空气充满了绝缘层燃烧产物，导致其金相组织中气孔大、数量多、内壁粗糙、形状不规则。但电流为210 A时，由于电流过大形成熔融点体积较大，与空气接触面积较大，所以形成的熔痕气孔比较大。

将凝固结晶的二次短路熔痕加热，其金相组织随温度会发生变化，在一定温度区间内，熔痕晶粒长大由柱状晶或胞状晶向等轴晶改变，其中部分气孔也发生变化。新的晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失。当温度足够高，时间足够长时，二次短路熔痕显微组织会产生新的晶粒。当温度上升至300 ℃、400 ℃、500 ℃时，由于铝比较活泼，表面容易发生氧化，熔痕表面颜色发生改变，由白色开始发乌，此时没有达到晶粒生长温度，过冷度过小，晶粒没有生长，气孔晶界无明显变化，说明500 ℃以下加热温度对铝导线二次短路熔痕内部金相组织影响较小。当温度在500～600 ℃时，熔痕内部金相组织晶粒成核率增大，此时过冷度满足晶粒生长所需的温度差，晶粒不断生长、体积增大，不断挤压气孔，气孔内气体不断逸出，气孔缩小甚至消失。说明500～600 ℃加热温度对铝导线二次短路熔痕内部金相组织影响较大；加热温度660 ℃以上时，达到铝导线的熔点，熔痕开始逐渐熔化，晶界不断消失无法清楚观察熔痕金相组织。

3 结论与不足

通过对铝导线二次短路熔痕观察、分析、比较和总结，可以得出以下结论：(1)在电流较小时，即电流为30 A形成的二次短路熔痕，其金相组织主要由柱状晶或胞状晶组成，晶粒细小、密集，晶界明显但不规则，越靠近气孔处晶粒越小，气孔相对较小，内壁粗糙，数量较多，并且气孔大多分布在熔痕边缘附近。(2)在电流较大时，即电流为210 A形成的二次短路熔痕，其金相组织主要由柱状晶或胞状晶组成，晶粒细小、密集，晶界明显但不规则，越靠近气孔处晶粒越小，气孔大，内壁粗糙，数量较多，并且气孔大多分布在熔痕边缘附近。(3)当温度在500 ℃之前，熔痕金相组织几乎没有改变，当温度达到500～600 ℃时，金相组织会发生改变，晶粒轻微长大，部分气孔逐渐缩小甚至消失。温度660 ℃以上时熔痕熔化，无法观察。

由于制备样品要求高，目前高温热台显微镜在金相研究方面没有得到广泛应用，在试验中铝导线加热过程中变形使得观察金相图出现对焦不准情况。目前本试验仅仅就铝导线二次短路熔痕进行研究，在今后研究中将改进试验方法，将该仪器引入到其他短路熔痕中，得出一系列火场中熔痕变化规律，为火调人员判断熔痕类别提供参考。