铜导线二次短路熔珠金相显微组织稳定性研究

龚钰媛

摘 要：通过模拟火灾现场，利用火灾痕迹物证综合实验台制备铜导线二次短路熔珠，利用自制控温箱模拟室内火灾热环境，对铜导线二次短路熔珠在不同温度和时间的条件下进行加热处理，采取不同的方式冷却，并通过重复性实验，观察其金相显微组织，找出影响铜导线二次短路熔珠金相显微组织稳定性的因素和变化规律，从而对影响稳定性的原因进行深入分析。实验结果表明，火灾现场的温度、火灾持续时间和冷却方式对铜导线二次短路熔珠金相显微组织的稳定性有一定的影响；温度对晶粒体积的稳定性有较大的影响；加热时间对晶粒体积的稳定性影响较小；立即冷却时，冷却方式对晶粒的体积有影响。而晶粒形态在各种条件下均具有较高的稳定性。在鉴定过程中，可根据火灾中提取的短路熔珠的金相显微组织特征分析鉴定火灾起因，从而为公安消防部门查明电气火灾原因提供有利的科学证据。

关键词：铜导线；二次短路熔珠；金相显微组织；电气火灾

中图分类号：TG146.1+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.012

近年来，随着高层建筑的大量兴建和城乡物质文化生活水平的不断提高，以技术密集和社会财富高度集中为特征的现代化生产规模不断扩大，电器设备的应用已深入到社会的各个角落。因电器设备、电气线路故障或使用不当而引起的火灾频发，电气火灾占总火灾的比例呈逐年上升趋势。据火灾统计显示，社会越发展水平越高，电气化程度越高，发生电气火灾的可能性则越大。据《中国火灾统计年鉴》公布的信息，2005年电气火灾共发生31 380起，占全年火灾总起数的13.30%，造成直接财产损失29 101.6万元，占总直接财产损失的33.82%；2006年电气火灾共发生32 431起，占全年火灾总起数的13.99%，造成直接财产损失29 100.7万元，占总直接财产损失的21.24%；2007年电气火灾共发生46 246起，占全年火灾总起数的28.3%，造成直接财产损失44 697.5万元，占总直接金额财产损失的39.56%. 由此可见，电气火灾已经成为威胁人们生活、生产安全的重要因素，因此，预防和减少电气火灾的发生是当前消防工作的重要内容之一。

电气火灾的原因较多，由线路短路引起的火灾约占整个电气火灾总数的50%以上，远远超过其他原因。短路产生的熔珠可用来推断起火原因和火灾蔓延的趋势。电气火灾中因短路产生的熔珠通常有2种，即一次短路熔珠和二次短路熔珠。前者是导线因自身故障在火灾前形成，可能是引发火灾的原因；后者是导线受外界火焰或高温作用后，其绝缘层失效而形成，在火灾发生后形成，是整个回路处于通电状态的主要依据。在火灾调查过程中，可对火灾现场提取的熔珠进行金相鉴定，并从熔珠的金相特征判断火灾是由一次短路、二次短路或火烧造成的，从而为火灾原因的认定提供充分的证据。

国外的一些研究认为，火场中的熔珠之间没有本质上的区别，与火灾原因也没有必然的联系。具体到一次短路和二次短路与火灾原因的关系的专门研究很少。目前，日本、美国已将判断建筑物火灾中铜导线熔痕特征的金相分析法用于火灾原因的认定；瑞士提出了电气火灾鉴别中对导线熔痕表面进行成分分析的方法；俄罗斯用Х射线衍射仪的星芒效应进行结构分析。上述这些事例都可以用以鉴别火场提取的熔珠类别。我国已完成了多种电气火灾原因技术鉴定方法的研究，其中，宏观法、金相分析法、成份分析法和剩磁法已编制成国家标准，其技术水平已达到国际先进水平。

在以往的研究中，主要研究二次短路熔珠与一次短路熔珠或火烧熔珠之间的金相显微组织的差别，以及单股和多股铜导线形成的二次熔珠之间的差异。但对于复杂火场环境对熔珠的金相显微组织的稳定性是否有影响的研究较少，无法为火灾原因的认定提供准确的依据。

本文利用金相显微镜对模拟火灾条件下制备的二次短路熔珠金相显微组织进行观察和比较，主要考查铜导线二次短路熔珠金相显微组织的稳定性，即在相似条件下制备二次短路熔珠，观察其金相显微组织是否具有相似的特征，找出铜导线二次短路熔珠的主要金相显微组织，分析不同特征产生的原因，从而为火灾原因认定和火灾物证技术鉴定工作利用金相显微组织确定熔珠的种类，进而为确定与起火原因的关系提供技术支持。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器设备

实验材料选用单股1.5 mm2聚氯乙烯绝缘电缆电线，型号为RV，额定电压为450/750 V～300/500 V（顺达牌，天津市顺达电线电缆厂）；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）；自制控温箱（中国人民武装警察部队学院研制）；自凝牙脱粉、自凝牙脱水；氧化铝金相试样抛光粉；P-2金相试样抛光机（江南光学仪器厂）；浸蚀剂采用氯化铁水盐酸乙醇溶液（氯化铁5 g、盐酸10 mL、无水乙醇100 mL）；4XCZ金相显微镜配（上海长方光学仪器有限公司）；Canon Power Shot A630数码照相机（佳能（中国）有限公司）；SONY体视显微镜（索尼（中国）有限公司）。

1.2 实验过程

1.2.1 铜导线二次短路熔珠的制备

模拟二次短路熔珠的形成条件，将自制控温箱置于燃气炉上，将加热架分别固定在300 ℃、500 ℃和800 ℃的位置，并使用火灾痕迹物证综合实验台制备二次短路熔珠。

制备条件一，产生铜导线二次短路熔珠后马上断电，关闭燃气灶，并立即采取自然和喷水两种方式冷却。

制备条件二，产生铜导线二次短路熔珠后，将熔珠在500 ℃下分别加热15 min、30 min和60 min，并分别用两种冷却方式冷却。

制备条件三，产生铜导线二次短路熔珠后，将熔珠分别在300 ℃、500 ℃和800 ℃下加热30 min，并分别用两种冷却方式冷却。

在保证可控实验条件一致的情况下，每种条件重复实验5次，制备样品共60个。将制作好的二次短路熔珠样品按照编号排列，并使用体式显微镜记录样品的宏观形貌。

1.2.2 熔珠金相试样的制备、观察和拍照

根据研究需要，截取有二次短路熔珠的部位平行置于玻璃板上，对其进行镶嵌、磨光、抛光和浸蚀，并使用金相显微镜观察和拍照。

2 实验结果

2.1 熔珠立即冷却的金相显微组织

2.1.1 熔珠自然冷却后的金相显微组织

图1和图2为5次重复实验中立即自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图1 自然冷却的二次短路熔珠金 图2 自然冷却的二次短路熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

从图1和图2可以看出，室温条件下立即自然冷却的铜导线二次短路熔珠表层金相显微组织以细小的柱状晶为主，且具有明显的方向性，垂直于熔珠表面，指向冷却方向。如图1所示，靠近熔珠中心的金相显微组织以细小的轴晶为主。如图2所示，两个熔珠的金相显微组织以细密的粗大柱状晶为主，短路产生的柱状晶、高温产生的等轴晶和原始的等轴晶交错在熔珠中心。由此可见，该条件下制备的二次短路熔珠在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

2.1.2 熔珠喷水冷却后的金相显微组织

图3和图4为5次重复实验中立即喷水冷却的二次熔珠金相显微组织。

图3 立即喷水冷却的二次熔珠金相显微 图4 立即喷水冷却的二次熔珠金相显微

组织金相显微组织试样一（×133） 组织金相显微组织试样二（×133）

从图3和图4可以看出，立即喷水冷却的二次短路熔珠的金相显微组织以细小的柱状晶为主，有少量的细小等轴晶交错，且越靠近熔珠中心的位置，高温产生的等轴晶数量越多、晶粒越小。由此可见，该条件下制备的二次短路熔珠在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

综上所述，室温条件下立即自然冷却的熔珠只有表面有明确方向性的细小柱状晶，而熔珠中心以细小等轴晶为主；喷水冷却的熔珠内细小柱状晶所占面积较大，只有中心部位有少量细小等轴晶交错在细小柱状晶间。

自然冷却的熔珠的粗大柱状晶晶粒小于喷水冷却的熔珠的晶粒。室温条件下立即冷却的熔珠在晶粒形态上是稳定的，在晶粒体积上不具有稳定性，冷却方式对立即冷却的铜导线二次短路熔珠的金相显微组织有一定的影响。

2.2 加热时间不同的熔珠金相显微组织

2.2.1 熔珠加热15 min后的金相显微组织

图4和图5为5次重复实验中，在500 ℃温度下加热15 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

从图5和图6可以看出，在500 ℃下加热15 min后自然冷却的熔珠金相显微组织以粗大柱状晶为主，熔珠中心有少量因高温形成的粗大等轴晶，但晶粒较小；在500 ℃下加热15 min后喷水冷却的二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在500 ℃下加热15 min后的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

图5 T500 ℃-15 min自冷熔珠金 图6 T500 ℃-15 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

2.2.2 熔珠加热30 min后的金相显微组织

图7和图8为5次重复实验中，在500 ℃温度下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图7 T500 ℃-30 min自冷熔珠金 图8 T500 ℃-30 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

从图7和图8中可以看出，在500 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织以细小的柱状晶为主，熔珠中心部位有少量细小的等轴晶，部分熔珠金相显微组织以粗大柱状晶为主，熔珠中心内存在部分粗大等轴晶；在500 ℃下加热30 min后喷水冷却的二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在500 ℃下加热30 min后的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

2.2.3 熔珠加热60 min后的金相显微组织

图9和图10为5次重复实验中，在500 ℃温度下加热60 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图9 T500 ℃-60 min自冷熔珠金 图10 T500 ℃-60 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样一（×133）

从图9和图10中可以看出，在500 ℃下加热60 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织以粗大的柱状晶为主，部分熔珠中心有粗大的等轴晶，与粗大的柱状晶交错在一起，有两个熔珠外层出现部分细小柱状晶；在500 ℃下加热60 min后喷水冷却二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在500 ℃温度下加热60 min后的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

综上所述，在500 ℃下加热不同时间后冷却的铜导线二次短路熔珠金相显微组织为粗大柱状晶和部分细小的柱状晶，经过加热的熔珠比没有经过加热的熔珠的粗大柱状晶晶粒有明显增大，但加热时间对晶粒体积的影响很小。冷却方式对时间加热不同的金相显微组织无明显影响。在500 ℃下加热不同时间形成的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，而晶粒体积的稳定性不受加热时间的影响。

2.3 加热温度不同的熔珠金相显微组织

2.3.1 300 ℃下加热的熔珠金相显微组织

图11和图12为5次重复实验中，在300 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图11 T300 ℃-30 min自冷熔珠金 图12 T300 ℃-30 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

从图11和图12可以看出，在300 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织以粗大的柱状晶为主，熔珠中心有粗大的等轴晶，与粗大的柱状晶交错在一起，两个熔珠出现细小柱状晶和少量细小等轴晶；在300 ℃下加热30 min后喷水冷却的二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在300 ℃下加热30 min后的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

2.3.2 500 ℃下加热熔珠的金相显微组织

图13和图14为5次重复实验中，在500 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图13 T500 ℃-30 min自冷熔珠金 图14 T500 ℃-30 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

从图13和图14中可以看出，在500 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织以细小的柱状晶为主，熔珠中心部位有少量细小的等轴晶，有部分熔珠金相显微组织以粗大柱状晶为主，熔珠中心内存在部分粗大等轴晶；在500 ℃下加热30 min后喷水冷却的二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在500 ℃下加热30 min的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性。

2.3.3 800 ℃下加热的熔珠金相显微组织

图15和图16为5次重复实验中，在800 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织。

图15 T800 ℃-30 min自冷熔珠金 图16 T800 ℃-30 min自冷熔珠金

相显微组织试样一（×133） 相显微组织试样二（×133）

从图15和图16中可以看出，在800 ℃下加热30 min后自然冷却的二次短路熔珠金相显微组织以粗大柱状晶和粗大等轴晶为主，晶粒由于受到长时间的高温作用而生长，越靠近熔珠中心的晶粒越小，熔珠中心有粗大的等轴晶，与粗大的柱状晶交错在一起，细小的柱状晶和等轴晶已消失。

在800 ℃下加热30 min后喷水冷却的二次短路熔珠金相显微组织与自然冷却的相似。由此可见，在800 ℃下加热30 min的二次短路熔珠金相显微组织在晶粒形态上具有稳定性，在晶粒体积上不具有稳定性，冷却方式对晶粒体积的影响较小。

综上所述，在不同温度加热30 min后的铜导线二次短路熔珠金相显微组织主要为粗大柱状晶，经过加热处理的熔珠的粗大柱状晶比没有经过加热处理的熔珠的粗大柱状晶的晶粒有明显增大，且随着温度的升高，粗大柱状晶的晶粒会明显增大。当火焰温度在500 ℃时，熔珠中心开始出现粗大等轴晶，其周围保持粗大的柱状晶；当加热至800 ℃时，金相显微组织以粗大等轴晶和粗大柱状晶为主。

冷却方式对不同温度加热处理的金相显微组织影响不大。温度在500 ℃条件下形成的二次短路熔珠金相显微组织的晶粒形态具有稳定性，晶粒体积不具有稳定性；加热温度达到800 ℃时，晶粒形态的稳定性较差，晶粒体积不具有稳定性。

3 分析和讨论

3.1 冷却方式的影响

通过分析发现，二次短路熔珠的晶粒形态主要为柱状晶，根据金属结晶理论，金属由液态转变为固态的过程称为“凝结”，由于凝固后的固态金属通常为晶体，所以，这一转变过程也称为“结晶”。铜导线二次短路熔珠的形成过程就是因短路电流产生的高温而使金属铜结晶的过程，结晶过程中短路点的温度可达5 000～8 000 ℃，且高温瞬间即逝，即使短路点周围因火焰而温度升高，也远远达不到短路瞬间的温度，产生的过冷度会导致在熔珠外侧一薄层液体中立即产生大量晶核，这些晶核在过冷熔体中迅速生长并相互抑制。二次短路的环境温度较高、金属冷却速度慢、过冷度小，晶粒形态有利于形成柱状晶。随着柱状晶的发展，散热后熔珠中心的温度几乎降到熔点之下，熔珠的冷却速度和过冷度都较小，熔珠内部的散热比较均匀。此时，散热已失去方向性，晶核可自由长大，在各个方向上的成长速度相似。在熔珠中心会形成等轴晶，如果继续受火灾现场的高温影响，则在短路熔珠内比较粗大的柱状晶和中心区域内比较粗大的等轴晶都将继续长大。因此，熔珠中心区域主要以柱状晶、等轴晶和原始晶粒为主。金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，晶粒的体积取决于形核率、晶粒长大的速度和相对体积，而影响形核率和晶粒长大速度的主要因素是过冷度，在结晶时过冷度不变的条件下，晶粒的体积一般是稳定的。因此，二次短路熔珠的金相显微组织主要取决于熔珠形成时的环境条件，而在熔珠形成后环境条件不变的情况下，晶粒的形态上具有稳定性，晶粒体积也是相对稳定的。

不同的冷却方式会使二次短路熔珠金相显微组织发生变化，具体而言分为以下3种情况：①二次短路熔珠在立即水冷时，金相显微组织会变得细长，细小的柱状晶组织会增多。二次短路熔珠结晶时的环境温度为火灾温度，除短路点处于高温状态外，短路点附近的外界环境温度也较高，导致形核率低、晶粒长大速度快。结晶完成后的晶粒数量少、晶粒粗大，金相显微组织呈粗大的柱状晶状，对其立即水冷后，结晶未彻底完成，短路点及其周围的温度迅速降至水温，冷却速度加快，过冷度增大，晶粒无法立刻成长，在这种较大的过冷度和冷却速度的条件下，二次短熔珠金相显微组织会变得细密。②在500 ℃下加热不同时间后对其冷却，熔珠金相显微组织的稳定性几乎不受冷却方式的影响，这是因为二次短路熔珠形成后，结晶过程已经完成，再次在500 ℃温度下保温不同的时间后，冷却方式不再会对晶粒的稳定性产生影响。因此，冷却方式对在500 ℃下加热不同时间后冷却的熔珠的晶粒稳定性没有明显影响。③二次短路熔珠在不同温度下加热30 min后对其进行冷却，熔珠金相显微组织的稳定性几乎不受冷却方式的影响。二次短路熔珠形成后，结晶过程已经完成，采用不同的温度对其加热，在没有达到结晶温度的情况下，对其进行不同方式的冷却后不会再对晶粒的稳定性产生影响。因此，冷却方式对在不同温度下加热30 min后冷却的熔珠的晶粒稳定性没有明显影响。

3.2 加热时间的影响

晶核一旦生成，则必然通过其自身的生长来完成结晶过程。晶体生长是液相中原子不断向晶体表面堆砌的过程，即固液界面不断地向液相中推移的过程。固液界面处固、液两相体积自由能的差值构成了晶体长大的驱动力，其大小取决于界面温度。然而，二次短路熔珠形成后，再将其置于500 ℃的环境下加热，无论加热多长时间，都无法达到使熔珠结晶的条件，熔珠始终处于固态。晶粒长大的方式是通过晶界的迁移实现的，当温度恒定时，环境给晶界处的金属原子提供的热量是一定的，在一定温度下，晶粒长大到一定体积后会停止生长。因此，加热时间对铜导线二次短路熔珠金相显微组织的稳定性影响较小。

3.3 加热温度的影响

由金属结晶的基础理论可知，晶粒长大的速度会受温度的影响。由于晶粒的长大是通过晶界迁移实现的，晶界迁移的过程即原子扩散的过程，因此，温度越高，原子扩散的速度越快，晶粒长大的速度也越快。铜导线二次短路后，对熔珠进行不同温度的处理，晶粒会因外界提供的能量而长大，而将熔珠加热到800 ℃时，高温下二次短路熔珠的环境条件与火烧熔珠类似，易形成等轴晶或粗大的柱状晶，晶粒会变为粗大的等轴晶，柱状晶也会随温度的增加而向等轴晶发展。因此，二次短路熔珠金相显微组织在不同加热温度的条件下，晶粒形态和晶粒体积的稳定性都比较差。

4 结论

通过实验和分析得到如下结论：①在可控条件一定的情况下，二次短路熔珠金相显微组织具有一定的稳定性。②二次短路熔珠形成后，立即采用不同的方式冷却会使短路熔珠金相显微结构发生变化。比如，对二次短路熔珠进行喷水冷却后，晶粒变的细长；二次短路熔珠加热不同时间并采用不同的方式冷却后，熔珠的金相显微组织的稳定性不会受因冷却方式的变化而变化；二次短路熔珠在不同的温度下加热并采用不同的方式冷却后，熔珠的金相显微组织的稳定性不会因冷却方式的变化而变化。③当温度未达到结晶温度且恒定时，不同的加热时间对熔珠金相显微组织的稳定性影响不大。④在加热时间一定的条件下，不同的加热温度对熔珠金相显微组织的稳定性有较大的影响。加热温度在500 ℃以下时，熔珠金相显微组织有一定的稳定性；加热到800 ℃时，稳定性较差。

5 结束语

通过实验发现，国家标准中尚未对短路熔珠的显微特征作出解释。在不同受热温度和时间的影响下，铜导线二次短路熔珠的金相显微组织有规律地发生变化。在短路火灾中，二次短路熔珠会继续留在火灾现场，容易因受到火场环境的影响而导致晶粒组织发生变化。如果铜导线二次短路后的冷却方式、加热温度或加热时间有所变化，则无法判断故障是由一次、二次短路还是火烧造成的，应结合火场的其他物证，分析短路点的环境因素对熔珠金相显微组织造成的影响。

由于实验条件有限，本实验还存在一些不足，无法更精确地模拟火灾现场，实验中的受热温度只能达到800 ℃，而实际火灾中火场的温度可能会达到1 000 ℃甚至更高。在今后的实验和研究中，我们将继续改进实验条件，得出更多有用的结论，从而为火灾调查工作提供更多的技术支持。

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〔编辑：张思楠〕