电气火灾中铜导线熔痕的微观特征

，，，， ，，

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省分析测试中心，山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心，济南 250014； 2. 香港城市大学物理及材料科学系，香港 999077)

0 引 言

电气火灾是火灾案例中的重要类别，年均发生次数占火灾总次数的28%，年均因电气火灾造成的损失约占总损失的36%；且电气火灾突发性强，隐蔽性大，难控难防，严重危害国家财产和人民生命安全[1-2]。近年来重特大电气火灾事故频发，造成不良的社会影响[3]。电气火灾原因的鉴定是消防、保险等机构非常关注且长期研究的课题[4]。由于法制意识的增强及火灾案件本身所牵涉的关系越来越多，索赔、诉讼等维权行为日益增多，科学、准确地认定火灾原因已是必需的程序。

我国在电气火灾痕迹鉴定领域制定了相关标准，具有代表性的鉴定方法主要有宏观法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析法、模拟试验法等，其中宏观法和金相分析法是常用的相对可靠的2种方法，但其应用受到环境和样品条件的限制。2013年实施的GB/T 16840.6-2012《电气火灾痕迹物证技术鉴定方法 第6部分：SEM微观形貌分析法》在一定程度上弥补了单一金相分析法的缺憾，但是这种方法对熔痕鉴定判据只做了定性的描述，且没有提供对照图谱；应用该法开展鉴定工作主要依靠个人经验。火灾熔痕技术鉴定工作属于交叉小众学科，之前一直由公安消防内部机构承担，行业间交流不够充分。目前，越来越多的社会第三方司法机构参与此项鉴定工作，这就需要对电气火灾熔痕特征进行总结和分析，并给出相应的对照图谱。为此，作者通过模拟试验制备了铜导线火烧熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，观察了熔痕的微观形貌并总结了其特征。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为山东绿灯行电缆有限公司生产的截面积为2.5 mm2的多股聚氯乙烯绝缘铜导线。

将铜导线放入人为点燃的木垛中，经燃烧、熄灭、冷却形成火烧熔痕。将20 cm长铜导线两端去掉绝缘皮，一端接在BX1-315型电焊机的电把子上，接通电源后另一端直接点击接地金属，产生高温电弧使铜导线熔化，冷却后形成一次短路熔痕。取两根20 cm长的铜导线，将每根铜导线带绝缘皮的一端拧在一起，另一端均去掉2 cm长绝缘皮以露出芯线，分别接在电焊机的正负极上，接通电源，因绝缘皮的作用线路处于断路状态；用汽油喷灯的外焰点燃拧在一起的铜导线部分，使绝缘皮失去绝缘作用，两根导线突然短路产生电弧，形成二次短路熔痕。

把模拟制备的一次短路熔痕置于SX2-4-13型箱式电阻炉内，加热到600 ℃保温30 min，模拟火场高温作用。

1.2 试验方法

用酒精清洗试样表面，将熔痕与基体沿二者的衔接处掰开，在SUPRA型场发射扫描电镜下观察熔痕断口形貌；熔痕断口经镶嵌、磨制、抛光、腐蚀后，用Axio Observer.A1m型光学显微镜(OM)观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 火烧熔痕的微观形貌

由图1可见，火烧熔痕断口上基本没有孔洞。在火灾环境中形成熔化痕迹时，在从液态到固态的转变过程中晶核有一个形成与长大的阶段，铜充分地吸收了周围的氧气而发生氧化还原反应，大部分的气体逸出；同时，火灾现场的温度较高，冷却相对缓慢，凝固过程较长，气体的溶解时间较充分。因此，火烧熔痕呈现上述微观形貌特征[5]。

图1 铜导线火烧熔痕的断口OM形貌和SEM形貌Fig.1 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of fire melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

2.2 一次短路熔痕的微观形貌

由图2可见：铜导线一次短路熔痕断口上存在明显的树枝晶、柱状晶和共析组织；断口上的孔洞均匀、细密，形状为圆或椭圆形,其中能观察到底部的孔洞是气孔，形状不太规则且看起来象中空的孔洞是缩孔[6]，放大后可以看到断口呈抛物线型卵形花样。

在由短路造成的火灾中，一次短路熔痕在形成以后可能会受到火场高温的影响。在正常环境下的一次短路熔痕和高温作用后的一次短路熔痕在微观形貌上是否有区别，是电气火灾原因鉴定中值得研究的问题。由图3可见：经600 ℃高温作用后，一次短路熔痕断口仍呈抛物线型卵形花样，孔洞均匀、细密；孔壁光滑，粗糙纹迹甚少，孔洞底部有裂纹，且有的孔洞壁上形成了颗粒状晶体。从组织形态上看，经600 ℃高温作用后，一次短路熔痕中仍存在明显的树枝晶、柱状晶和共析组织。综上，经600 ℃高温作用后一次短路熔痕的特征与在正常环境下的相似。

在液态铜的凝固结晶过程中，如果冷却速率足够慢，大部分溶解的气体会排出；反之，则有较多的气体滞留在内部而形成气孔。一次短路环境中产生的燃烧产物、水蒸气等物质的含量较少，熔珠纯度高，因此一次短路熔痕内部气孔形成时受杂质的影响小，所得气孔均匀细密、比较规则。

图2 铜导线一次短路熔痕的断口OM形貌和SEM形貌Fig.2 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of primary short circuited melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

图3 600 ℃保温30 min后一次短路熔痕的断口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of primary short circuited melted mark after holding at 600 ℃ for 30 min:(a) oval pattern and (b) granular crystal

图4 铜导线二次短路熔痕的断口OM形貌和SEM形貌Fig.4 OM (a) and SEM (b-d) morphology of fracture of secondary short circuited melted mark of copper wire: (b) at low magnification;(c) at high magnification, view 1 and (d) at high magnification, view 2

2.3 二次短路熔痕的微观形貌

由图4可知：铜导线二次短路熔痕断口上的孔洞大小不均，在较大的孔洞内表面上存在小的孔洞，断口呈蜂窝状花样；放大后可见孔洞底部存在平行的条形花纹，内壁上有小的缩孔、卵石状颗粒和灰尘。从组织形态上看，二次短路熔痕中存在明显的亚结构即胞状晶。

二次短路熔痕是通过模拟火灾环境而得到的。火灾现场温度较高，铜液的冷却速率慢、凝固过程长，逸出的气体相对较多;但火灾环境中存在的大量灰尘、杂质、各种燃烧产物以及水蒸气也会同时进入纯铜液中。因此，二次短路熔痕中的气孔又大又多。

液态金属在凝固前后会发生体积变化，体积收缩率为3%～5%。在电弧中断后，液态金属表面先冷却凝固，当液态金属内部凝固时，部分体积收缩未得到补充。因此，无论是一次短路熔痕还是二次短路熔痕，其内部除了有气孔存在外，均还有部分缩孔存在。一次短路熔痕与二次短路熔痕形成缩孔的机制是相同的，但因二者形成的环境和温度有所不同，故一次短路熔痕内的缩孔小而少，形状较规则；二次短路熔痕内的缩孔大而多，形状不规则。

3 结 论

(1) 火烧熔痕断口基本没有孔洞。

(2) 在600 ℃高温作用前后，一次短路熔痕的微观特征相似：断口上存在均匀细密的孔洞，孔洞壁光滑，粗糙纹迹甚少，断口呈现卵形花样；从组织形态上看，具有明显的树枝晶、柱状晶和共析组织。

(3) 二次短路熔痕断口上的孔洞大小不均，在较大的孔洞内表面上存在较小的孔洞，孔洞底部有平行的条形花纹，内壁上存在小缩孔、卵石状颗粒和灰尘；断口呈现蜂窝状花样；从组织形态上看，具有明显的亚结构即胞状晶。