H62黄铜导体短路熔痕的凝固组织

陈 克，张 斌，邓松华，徐龙飞,2，赵晓阳,2

(1.应急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.国家消防工程技术研究中心，天津 300381)

0 引 言

黄铜导体作为导电金属构件广泛应用于电气电子设备，在使用过程中若发生短路故障会引发火灾[1-5]，同时会在故障点形成一次短路熔痕。当发生火灾时，带电的黄铜导体在起火后也会发生短路，并形成二次短路熔痕。因此，准确鉴定黄铜导体短路熔痕有助于火灾调查人员认定引火源和起火原因。目前，有关两种短路熔痕的特征，包括显微组织、化学成分分布、微观形貌及物相组成等研究主要集中在纯铜导线方面[6-11]，鲜见有关黄铜等二元合金短路熔痕特征方面的报道。二元合金受溶质含量及分布等因素的影响，其凝固过程及凝固组织更为复杂多变，与纯金属凝固时的截然不同[12-13]。因此，作者通过火灾模拟试验，制备了H62黄铜导体一次短路熔痕和二次短路熔痕，研究了两种短路熔痕的凝固组织特征，探讨了短路熔痕的凝固机制，并在此基础上提出了火灾现场黄铜导体短路熔痕的定性判据，为火灾物证鉴定工作提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为H62黄铜片，尺寸为10 mm×7 mm×3 mm。采用NORAN SYSTEM 6型X射线能谱仪测定其化学成分。由表1可知，试验合金的化学成分符合GB/T 5232-2001对H62黄铜的成分要求。

表1 H62黄铜的化学成分(质量分数)

在室温环境条件下搭建如图1所示的黄铜导体一次短路熔痕模拟试验装置，制备一次短路熔痕。将2片黄铜导体分别连接至两路短路线路，2片黄铜导体间保持一定间距。闭合短路保护器开关，将黄铜导体相互接触使发生短路故障，最后断开短路保护器开关，得到短路点处的黄铜导体一次短路熔痕。

图1 黄铜导体一次短路熔痕模拟试验装置示意

应用黄铜导体短路故障模拟试验装置和燃烧试验炉，搭建如图2所示的黄铜导体二次短路熔痕模拟试验装置，制备二次短路熔痕。将尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的松木条放置于燃烧试验炉内底部，堆放成4根×4根的木垛火源，并将连接黄铜导体的短路线路布置在炉内顶部。点燃炉内的木垛火源，至炉内火焰稳定燃烧后，闭合短路保护器开关，将黄铜导体相互接触使发生短路故障，断开短路保护器开关，扑灭炉内火焰，得到短路点处的黄铜导体二次短路熔痕。

图2 黄铜导体二次短路熔痕模拟试验装置示意

采用FeCl3盐酸酒精溶液[14]对短路熔痕进行浸蚀处理，在KYKY-EM3200型扫描电镜(SEM)上观察短路熔痕的截面微观形貌。截取短路熔痕的熔化区域冷镶嵌为金相试样，研磨至最大截面后抛光、腐蚀[14]，采用OLMPUS GX71型光学显微镜观察短路熔痕的截面显微组织。采用NORAN SYSTEM 6型X射线能谱仪(EDS)对短路熔痕熔化区域的化学成分进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 微观形貌

由图3可知：黄铜导体发生一次短路故障后，短路点处的基体发生局部熔化，快速凝固后堆积在未短路的基体上形成一次短路熔痕，呈熔珠状或凹痕状，熔痕与未熔化的基体间存在明显的过渡区[14]；熔珠状一次短路熔痕凝固组织呈枝晶形貌，而凹痕状一次短路熔痕呈针状晶形貌。黄铜导体发生二次短路故障后，短路点处的基体发生局部熔化，快速凝固后堆积在未短路的基体上形成二次短路熔痕，呈熔珠状，熔痕与未熔化的基体间存在过渡区；二次短路熔痕凝固组织呈羽毛状形貌。

图3 黄铜导体一次短路熔痕和二次短路熔痕的截面SEM形貌

2.2 显微组织

由图4可知：黄铜导体一次短路熔痕和二次短路熔痕的过渡区特征明显；熔珠状一次短路熔痕凝固组织为α相，呈枝晶状形貌；凹痕状一次短路熔痕凝固组织为α相+β相，α相沿β相晶界呈针状向β相晶内析出，且针状晶未贯穿β相晶界；二次短路熔痕凝固组织为α相+β相，α相呈羽毛状形貌，其排列具有方向性。

图4 黄铜导体一次短路熔痕和二次短路熔痕的截面显微组织

2.3 微区化学成分

由图5可知，黄铜导体一次短路熔痕和二次短路熔痕的主要成分均为铜和锌元素。EDS分析结果显示熔珠状、凹痕状一次短路熔痕中锌元素质量分数分别为32.28%，36.26%，二次短路熔痕中锌元素质量分数为36.04%，均低于黄铜基体中锌元素的含量。由此可知，黄铜导体短路会造成锌元素的损失。

图5 黄铜基体和黄铜导体短路熔痕的EDS谱

2.4 分析与讨论

锌元素在常压下的沸点为906 ℃，而导体短路时短路点的温度超过1 000 ℃[15]。因此，H62黄铜导体发生短路时，部分锌元素蒸发，导致熔痕中的锌元素含量降低。锌元素含量的变化使熔痕具有不同形态的显微组织。由Cu-Zn合金相图[16]可知，当锌元素质量分数低于32.5%时，黄铜熔体发生单相合金凝固过程。一次短路故障通常在室温条件下发生，熔体凝固的过冷度大，凝固速率快，故其凝固组织为尺寸细小的枝晶，且具备鲜明的晶体学方向特征[12，17]。当锌元素质量分数超过32.5%时，黄铜熔体发生包晶合金凝固过程。在较高凝固速率下，α相+液相→β相的转变有限，凝固时连续析出的α相来不及向β相晶粒内生长，因此室温时的凝固组织呈针状晶形貌。H62黄铜导体二次短路时的熔体发生包晶合金凝固过程，其凝固速率低于一次短路时熔体的，在α相+液相→β相转变时，连续析出的α相增多并有序地向β相晶粒内生长及长大，因此室温时的凝固组织呈羽毛状形貌。

火灾物证鉴定的主要工作是鉴定火场中H62黄铜熔痕的熔化性质，为认定起火部位和起火原因提供证据支持。由上述试验结果可知，H62黄铜导体短路熔痕凝固时因锌元素含量的不同而存在两种凝固机制，室温时显微组织特征因凝固机制不同而存在差异，这为火灾现场H62黄铜导体短路熔痕的鉴定提供了新的理论依据。物证鉴定人员可依据短路熔痕的显微组织、元素含量等信息，分析短路熔痕形成时的环境条件和凝固过程，从而更准确地判定熔痕的熔化性质，并提高火灾物证鉴定的准确性。

3 结 论

(1) H62黄铜导体一次短路熔痕具有明显的过渡区特征。熔珠状一次短路熔痕室温凝固组织为α相，呈枝晶形貌，锌元素质量分数低于32.5%；而凹痕状一次短路熔痕室温凝固组织为α相+β相，α相沿β相晶界呈针状向β相晶内析出，且α相针状晶未贯穿β相晶界，熔痕中锌元素质量分数高于32.5%。

(2) H62黄铜导体二次短路熔痕的室温凝固组织为α相+β相，α相呈羽毛状，排列具有方向性,锌元素质量分数高于32.5%。

(3) H62黄铜导体一次短路熔痕与二次短路熔痕凝固组织特征的差异，可为火灾物证鉴定工作提供依据。