基于金相分析的车辆电气火灾鉴定技术研究

■ 谷阳阳 赵杜超 王吉鹏

〔1中国汽车技术研究中心，北京100176〕〔2山东天鹅棉业机械股份有限公司，济南250032〕

基于金相分析的车辆电气火灾鉴定技术研究

■ 谷阳阳1赵杜超2王吉鹏2

〔1中国汽车技术研究中心，北京100176〕〔2山东天鹅棉业机械股份有限公司，济南250032〕

一、前言

随着车辆产业高速发展以及车身电子技术的进步，电器部件所占比例越来越大，尤其是中高档车辆的电器部件应用越来越多。为满足更高的舒适性和智能性的要求，高端车辆的电控模块将会越来越发达，中低端车辆的电气化程度也在逐步增加，一般来说，经济型车辆中需要10个～12个电控单元（ECU），高端大型豪华车辆中对ECU的需求量则高达70个～120个。为此，车辆电气化程度越高，发生电气系统火灾的危险性就越高。据统计，电气系统故障是车辆火灾的最主要的原因，约占总数的50%～60%[1]。

二、电气系统火灾的主要类型

车辆的电气线路较多，工作环境温度高、易燃物多，电气线路时刻处在高温或低温、高湿、震动、颠簸、冲击、油气等恶劣环境中，电气系统故障中绝大多数是由电气线路引起的。

（一）电气线路短路

通常，车辆导线的绝缘层是由PVC材质制成，该物质经高温或者长时间磨损容易破损脱落，导致金属导线外露引起短路故障。此外，车主或者维修人员私自改装电路，乱接电器，改装后的线路固定安装不当或者线路绝缘层破损，也容易引起电气线路短路。

（二）导线或电器接触不良

车辆导线接触不良引起火灾是指导线接触点不稳定，电阻值增大，此处高温过热引燃导线绝缘皮或者周围易燃物，造成火灾。导线接触不良的主要原因有下列几点：

（1）车辆电气系统中线路插头经过长时间使用产生电化学腐蚀作用，引起插头处接触电阻过大；

（2）车辆电气线路及设备如果安装不到位或者质量有问题，容易导致插接头松动，此处电阻值增大；

（3）车辆在行驶过程中受震动、颠簸的影响，容易导致插接头或线路松动断开，插接头或线路瞬间通断会产生感应电流形成电火花，该火花温度较高，容易引燃周围可燃物质。

（三）电气线路超负荷

车辆电气线路都是按照相关标准以及电气设备的负载选择合适的截面配置，如果用户或者销售人员私自接装电气设备，增加线路负载，使车辆线路的实际负载超过其额定负载，致使整条线路过热引燃线路绝缘层，点燃周围可燃物质引发火灾。

（四）车辆电器设备故障火灾

现代车辆上的电器设备越来越多，涉及到车辆行驶的安全性、舒适性。如果电器设备在工作过程中发生故障引起高温发热，点燃周围塑料等可燃物，容易造成车辆火灾。

三、车辆电气火灾鉴定

（一）车辆火灾鉴定流程

车辆火灾鉴定是根据当事人提供的信息基础，按照车辆烧损情况从轻到重、由外及内的顺序进行细致的勘查，分析车辆烧损部位特征、火焰蔓延情况，确定车辆起火点、起火原因（见图1）。

（二）车辆电气火灾鉴定方法

车辆电气火灾原因技术鉴定方法主要有：宏观法、剩磁法、成分分析法、金相法。目前，应用最广泛的是宏观法和金相法。通过分析金属导线熔痕的外观形态、金相显微组织特征来反映金属导线熔痕的形成机理是金相法的核心。

通常在车辆火灾现场会有金属导线熔痕残留物，发现并提取车辆电气线路、设备上的金属导线熔痕残留物。通过分析研究相关的金属导线熔痕的形成机理，研究金属导线在不同环境中形成短路熔痕的表面形态和其内部的组织结构，确定金属导线熔痕是在火场中形成的还是由导线短路引起的火灾，是鉴定车辆火灾原因的重要方法。[2]

1.金相分析的基本原理。

金相分析技术一开始是由我国著名的火调专家王希庆先生总结提出的，一开始在建筑物火灾上得到应用，该技术经过应用以及不断完善，形成完整的金相分析技术的科学理论。该技术是依据同一种金属在经过不同的加热、保温、冷却等一系列热处理后呈现不同组织特征，按照金属组织特征的不同来分析认定熔痕形成原因。[3]

金相分析鉴定技术需要鉴定技术人员对金属所呈现的组织特征有基本的了解和认识，通过分析对比各种不同环境、不同条件下形成的金属组织特征，判断分析金属组织特征的形成机理，正确鉴定车辆火灾发生的原因。同时鉴定技术人员需要积累大量的实际经验才能做出最准确的判断，从而正确地鉴定车辆火灾发生的原因。

2.导线金相显微组织特征。

（1）正常铜导线的微观特征。

由于铜导线具有优良的导电性、导热性和抗磁性等特性，因此，在车辆电气线路中大多应用铜导线。铜导线通常由99.95%的工业纯铜构成，密度为8.9 g/cm3，熔点为1 083℃，铜为面心立方结构，所以在其退火后易成为a等轴晶粒，铜的显微组织为a等轴晶粒（见图2）。在拉制的过程中，铜导线等轴晶是沿着变形方向被拉长，具有一定的方向性，在通电状态下仍具有规则的方向性。当温度达到200℃～280℃时，铜导线内部会发生再结晶现象。经过一定时间变化，铜导线的金相组织发生变化。

图2 铜导线低倍组织

（2）铜导线火烧熔痕的特征。

在车辆火灾中，受到火焰高温烧烤后，工作状态正常的铜质导线会被高于其熔点的火焰温度熔化形成熔痕，这就是火烧熔痕。火烧熔痕的金相显微组织呈现粗大的等轴晶体，切片表面光滑，孔洞较少（见图3）。这与该熔痕形成的环境有关，火烧熔痕是在车辆火灾高温烧烤环境中形成的，导线升温速度相对较慢，有利于晶核的形成，从而观察到的金相显微组织为粗大的等轴晶；同时，导线的冷却速度也较慢，致使其凝固时间较长，这就导致火烧熔痕在凝固的过程中，铜导线可以与周围的氧气发生氧化还原反应，充分吸收氧气形成氧化铜，不发生化学反应的氮气等气体有充分的时间逸出，从而形成表面光滑、孔洞较少的金相试样磨面。

图3 火烧熔痕金相显微组织100X

（3）铜导线一次短路熔痕的特征。

铜导线的一次短路熔痕是因导线自身发生短路造成金属熔化所形成的熔痕，该熔痕发生在火灾前，是引起车辆电气火灾的主要原因。一次短路熔痕的金相显微组织呈现细小的柱状晶或胞状晶，孔洞周围的（Cu+Cu2O）共晶体较少，组织内部孔洞小而少，孔洞形状比较规则，多呈圆形或椭圆形，熔痕与导线有比较明显的过渡区（见图4）。由于一次短路发生在火灾前，其熔痕形成速度较快，导线与熔痕的环境温差较大，在晶粒还没长大时已经凝固，呈现细小紧密排列的胞状晶或柱状晶；熔痕内部的气体来不及发生化学反应和溢出，就被截留在组织内部，但该熔痕形成过程中燃烧产物较少，所形成的气体较少，为此它的孔洞小而少。

图4 一次短路熔痕金相显微组织100X

（4）铜导线二次短路熔痕的特征。

铜导线的二次短路熔痕是导线处在电路导通的条件下，导线的绝缘层被外界火焰或高温烧烤熔化失效后，导致导线与其他线路接触短路形成的熔痕。二次短路熔痕的金相显微组织是由粗大的柱状晶或一些大晶界组成，内部孔洞大且较多，孔洞周围的（Cu+Cu2O）共晶体较明显，熔痕与导线之间过渡区不明显。由于二次短路熔痕是在火场中形成，此时火灾现场的温度高，熔痕冷却速度较慢，熔痕以及过渡区域无法有效地形成，如果火灾现场的温度持续高温，过渡区界限则会变得更加模糊不清和紊乱；二次熔痕的冷却速度较慢，较多的气体无法溢出，再加上火场内空气中夹杂较多灰尘、各种燃烧物、水蒸气等杂质，因此，这些杂质也将同时进入熔痕附近的铜溶液中，在观察该融合组织的过程中能够看到较大孔洞（见图5）。

图5 二次短路熔痕金相显微组织100X

3.一次短路与二次短路的鉴别。

一次短路熔痕和二次短路熔痕都是由短路产生电弧瞬间高温熔化，冷却速度相对较快，熔化范围较小。二者发生的环境与条件不同，金相显微组织又各有不同。一次短路发生在正常环境气氛中，发生时间短、环境温度低、冷却速度较快，晶核其金相显微组织主要呈现低温快速冷却的柱状晶。二次短路熔痕发生在火场中，因为周围温度高、火烧范围大、冷却速度较慢，所以二次短路熔痕的晶核有充分的时间生长，并再结晶融合长大，其显微组织呈现粗大的等轴晶。一次短路熔痕与二次短路熔痕的显微组织结构主要有以下几个不同的方面。[4]

（1）气孔。

一次短路熔痕内部的气孔是小而少，孔洞形状比较规则，多呈圆形或椭圆形。二次短路熔痕内部气孔大而多，孔洞形状不规则，而且火灾环境中的灰尘、杂质和水蒸气等各种燃烧产物都会不同程度地析入到铜的熔液中。

（2）共晶体。

一次短路熔痕是在正常环境下形成的，冷却速度快、反应时间短，空气中的氧气来不及与铜反应生成Cu2O就已经溢出，所以气孔周围生成的（Cu+ Cu2O）共晶体较少；而二次短路熔痕则是在高温的火场中形成的，周围环境温度高、冷却速度慢，氧气与高温的铜溶液有充分的时间发生化学反应，生成大量的（Cu+Cu2O）共晶体。

（3）过渡区。

一次短路熔痕是在火灾发生前短路瞬间电弧高温熔化形成的，由于一次短路发生在火灾前，其熔痕形成速度较快，导线与熔痕的环境温差较大，晶粒还没长大就已经凝固，因此，呈现细小紧密排列的胞状晶或柱状晶。在导线短路熔痕以外，其他区域导线的温度并不高，过渡区域的金相显微组织呈现原始的等轴晶被拉长的状态，有一定的方向性，熔痕与导线过渡区域明显。二次短路熔痕是在火场高温环境下形成的，受高温加热作用的影响，短路熔珠和过渡区晶核有充分的时间长大，形成粗大的柱状晶或等轴晶，继续受高温作用，柱状晶继续生长变成等轴晶，使得过渡区的界限和柱状晶的残痕模糊不清，过渡区域不明显。

三、案例应用

通过对车辆火灾现场的综合勘查，结合提取的导线熔痕的金相分析以及其他材料，综合多方面分析，对鉴定结果进行相互印证是目前常用的方法。现仅对以下实际案例进行金相分析。

某采棉机驶入棉田作业期间，突然发动机舱与棉仓连接处开始冒烟起火。该采棉机车身中后部较前部烧毁（损）严重（详见图6），呈明显后重前轻趋势。对该车发动机舱内进行检验，发现发动机舱底部较顶部烧损严重，蓄电池侧较余侧烧损严重。

图6 采棉机烧损情况

鉴于该采棉机烧损（毁）状态，初步分析认定起火点位于发动机舱底部，同时在蓄电池负极铜导线处有熔断痕迹，需要进一步鉴定此熔痕是发生在火灾前还是火灾中，这对于查找真正的起火原因具有重要意义。提取此处熔痕（见图7），编号1。

图7 提取样品

对提取样品进行处理，制作金相切片，利用金相显微镜观察其组织特征（见图9）。

图8 铜导线正常金相显微组织

图9 1号样品金相显微组织

根据1号样品的金相显微组织可以看出，1号样品为二次短路熔痕，由此可排除该采棉机起火是由电气线路故障引起的，从而为继续查找真正起火原因提供了科学的指导。

根据导线熔痕一般可以快速认定是否为电热熔痕，但是将电热熔痕区分为一次短路熔痕还是二次短路熔痕有一定的难度，大部分一次熔断熔痕和二次短路熔痕的微观特征和组织结构不是呈现典型的特征，这对鉴定技术人员的技术水平和实践经验有较高的要求。

四、总结

车辆电气火灾鉴定方法中，金相分析法是一种应用广泛的鉴定方法，同时，也对鉴定技术人员的技术经验水平提出了更高的要求根据导线熔痕的金相显微组织判断导线短路是属于一次短路熔痕还是二次短路熔痕，结合现场勘查情况、车辆起火部位等因素，可以快速准确认定车辆火灾的真正原因。

[1]班孝东.车辆火灾原因鉴定技术的研究[D].青岛理工大学.2011，06.

[2]国家技术监督局.GB/T 16840.4-1997电气火灾原因技术鉴定方法第4部分：金相法[S].1997，06，03.

[3]Lee E-P，Ohtani H，Matsubara Y，Seki T，Hasegawa H，Imada S.Study on Primary andSecondary Molten Marks[C].Proceedings of the 1st Conference of the Association ofKorean-Japanese Safety Engineering Society.November 22-24，1999：209-212.

[4]余振平.用金相显微技术鉴别一次短路熔痕和二次短路熔痕[J].福建分析测试，2007，16（2）：46-48.