加热时间和温度对过负荷铜导线金相组织的影响

●王 斌

(武警学院训练部,河北廊坊 065000)

0 引言

导线过负荷火灾是一种常见的电气火灾形式,导线过负荷引起火灾后,过负荷导线会继续受火灾现场的高温作用,会对过负荷导线的金相显微组织形成影响[1],为考查受热温度和时间对过负荷铜导线金相组织的影响,本文通过模拟火灾现场中过负荷铜导线的形成和遗留过程,利用金相显微镜观察过负荷铜导线受热不同时间和不同温度后的金相显微特征,分析其变化规律,从而为火灾调查人员准确认定火灾原因提供参考和技术支持。

1 实验部分

1.1 实验设备与材料

火灾痕迹物证综合实验台(中国人民武装警察部队学院研制);SRJX-4-9型箱式电阻炉(杭州蓝天仪器厂);P-2金相试样抛光机(江南光学仪器厂);4XC型金相显微镜(上海光学仪器厂);Canon PowerShot A630数码相机 (佳能中国有限责任公司 )。金相砂纸 (320号 、400号、600号、800号 );自凝牙托水,牙托粉;单芯聚氯乙烯铜导线(2.5mm2、4 mm2);FeCl3;HCl;无水乙醇。

1.2 实验过程

取截面积为 2.5mm2和 4mm2的铜导线若干段,利用火灾痕迹物证综合实验台制备出过负荷试样。过负荷导线制成后,利用箱式电阻炉模拟火灾现场热环境,将其置入其中加热,在不同的温度下加热不同的时间,再以不同的冷却方式对加热后的铜导线进行冷却,之后制成金相试样进行观察和拍照。

2 实验结果

2.1 未通电和正常通电铜导线金相显微特征

铜导线未通电和正常通电情况下的金相组织见图 1、图 2。作为导电线路的铜导线,是采用 99.95%以上的纯铜经过冷拔处理制成的,强烈的塑性变形,铜的晶粒被拉长,原来的等轴晶粒沿着变形方向被拉长,呈纤维状组织,具有明显的方向性[2]。铜导线的原始组织如图 1所示。在正常使用状态下的铜导线的组织,仍保留着上述方向性,如图 2。

2.2 不同加热温度下过负荷铜导线金相显微特征

不同加热温度下过负荷铜导线金相显微特征如图 3～图 5所示。将线径为 2.5mm2的铜导线在 2.5倍安全电流下过负荷 20min,再分别置于 300℃、400℃、500℃、600℃、800℃下加热 30min后喷水冷却所得的金相显微组织,比较各受热温度下的过负荷铜导线金相组织可发现,铜导线在通入 2.5倍安全电流过负荷 20min后,再将其置于 300℃～600℃的热环境中受热时,在该温度区间内其金相显微组织变化不大,均表现为不规则的多边形晶粒,且具有一定的方向性,如图 3、图 4;而在 800℃的热环境中受热时,其晶粒将明显增大,由形状不规则的多边形晶粒转变为形状较为规则的等轴晶和柱状晶,且方向性明显消失,如图 5。

图1 未经通电导线试样(130×)

图2 正常通电试样(130×)

2.3 不同加热时间下过负荷铜导线金相显微特征

图3 试样 2.52.5-20-300-30-2(130×)

图4 试样 2.52.5-20-600-30-2(130×)

图5 试样 2.52.5-20-800-30-2(130×)

将过负荷铜导线在 500℃下加热 10min、30min、50min、70min、90min后喷水冷却。从得到的金相组织(图 6～图 8)中可以看出,在 500℃条件下,随着加热时间从 10min增加到 90m in,经热处理后的过负荷铜导线,其金相组织发生了轻微变化。由形状不规则的多边形细小晶粒(图 6、图 7)转变为形状较为规则的细小等轴晶和柱状晶(图 8),方向性也有所降低,但总的来看变化不大。

图6 试样 2.52.5-20-500-10-2(130×)

图7 试样 2.52.5-20-500-70-2(130×)

图8 试样 2.52.5-20-500-90-2(130×)

3 结果分析

3.1 加热温度对过负荷铜导线金相组织的影响

铜导线的金相组织是单相组织[3],受热温度是影响其晶粒度的主要因素,晶粒的大小与其受热温度成正比,在一定的受热时间内,受热温度越高,导线发生再结晶的速度越快,晶粒越大[4]。导线在不同温度下所形成的晶粒形貌是不同的,在某一较高温度下形成晶粒后,再将其置于一个较低的温度下受热,其晶粒将基本保持在高温下已经形成的形貌而不发生改变。结合本实验,当线径为2.5mm2的铜导线中通入 2.5倍安全电流发生过负荷时,导线温度已经达到 795℃,在该温度下保持 20min后,其微观组织已发生改变,并形成了对应于该温度下的晶粒形貌,因此再将其置于低于 800℃的热环境中受热时,其微观金相组织并未发生显著变化,如图 3、图4;而将其置于 800℃的热环境中受热时,其晶粒明显增大,方向性也基本消失,如图 5。

3.2 加热时间对过负荷铜导线金相组织的影响

对过负荷后的铜导线进行加热处理时,加热时间将影响其微观形貌的变化。当加热温度较高时,加热时间对晶粒的影响较大;而当加热温度较低时,加热时间则对其影响不大[5]。结合本实验,当在500℃的热环境中对发生过负荷后的铜导线进行加热处理时,导线的金相显微特征并未随着加热时间的延长而发生显著变化。分析其原因是因为当导线中通入 2.5倍安全电流发生过负荷时,导线温度已达到 795℃,即加热前的导线晶粒是在 795℃下形成的,该温度高于随后的热处理温度(500℃),所以在该温度下加热不同时间,其微观组织基本保持原貌而不发生改变,如图 6～图 8。

4 结论

通过对过负荷铜导线金相显微特征的分析比较,可以得出以下结论：过负荷铜导线的金相组织随加热温度的升高,其晶粒也逐渐增大,但只有当加热温度高于导线过负荷形成时的温度时,晶粒增大才比较明显。加热时间对于晶粒影响受加热温度的影响较大,当加热温度低于导线过负荷形成时的温度时,加热时间对晶粒度的影响不大,晶粒基本保持原貌不变。

[1]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,1997.

[2]卫广昭,曹建旺,于进江.金相分析技术在电气火因鉴定中的应用[J].消防技术与产品信息,2006,(8)：33-35.

[3]叶诗茂,阳世群,王新钢,祝兴华.金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J].消防科学与技术,2004,24(3)：370-372.

[4]ZHANG Hui,ZHANG Hong-gang,PENG Da-shu.Hot deformation behavior of KFC copper alloy during compression atelevated temperatures[J].Science Press,2006：562-566.

[5]郭贵中.退火处理对紫铜组织和性能的影响[J].平原大学学报,2006,(3)：129-131.