火灾现场中白铜电气元件熔化痕迹金相组织特征

雷鹏奎

(陕西省消防总队，陕西 西安 710016)

0 引言

近年来，电气火灾在我国火灾原因和火灾直接经济损失等各类火灾统计数据中都占有较大比重[1-2]。调查电气火灾过程中，调查人员能够在火灾现场发现一些金属熔化痕迹，作为一个关键证据，提取并送检，而鉴定机构对于金属熔化痕迹形成原因的鉴定结论，对于准确认定火灾原因至关重要。白铜作为一种铜和镍合金，主要出现在电气构件和一些金属零件当中，较之紫铜其熔点低，受到火灾现场电弧或热的作用后，易形成短路或火烧熔痕，残留在火灾现场，形成白铜熔痕。火灾调查人员一旦在火灾现场提取到白铜熔痕，可以根据白铜的熔痕来判断火灾发生的原因，因此该类短路熔痕和火烧熔痕的研究工作显得非常必要。

近年来，我国关于火灾现场金属熔化痕迹的鉴定方法取得了一些研究成果，其中金相法的研究主要是针对铜铝导线熔痕方面，对于铜的合金材料的研究内容较少。目前国内外对白铜的研究也并未涉及白铜熔痕的金相组织特征，周林等人采用水平连铸-拉拔-轧制生产工艺，对高镍锌白铜的金相组织、机械性能及退火工艺进行了研究[3]；闫洪对铸态和热挤压态锌白铜的金相组织进行了分析[4]。我国建筑中电气系统及其他场合，白铜的应用非常广泛，且白铜受到火灾热的作用后，还极易产生熔化痕迹，其熔痕的金相组织异于铜铝导线熔痕的金相组织，因此需要借助金相法对这些铜合金开展深入的研究工作。

1 试验方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：三氯化铁盐酸水溶液(5 g氯化铁、50 mL盐酸、100 mL水)，自凝牙托粉，自凝牙托水，抛光粉，无水乙醇，蒸馏水，400#、600#、800#、1000#、1200#金相砂纸。试验仪器：PG-2D型金相试样抛光机(上海金相机械设备有限公司制造)，4XCZ型金相显微镜(上海长方光学仪器有限公司制造)，HZ-1型火灾痕迹物证综合试验台(中国人民武装警察部队学院设计)，XTL-340型体视显微镜(上海长方光学仪器有限公司制造)。

1.2 试验内容

利用火灾痕迹物证综合试验台在电压220 V、电流50 A、频率50 Hz的条件下分别制备白铜-铝导线短接、白铜-铜导线短接及白铜-白铜短接的一次短路熔痕；在相同通电条件下，将白铜悬空放置在液化气灶上5 cm处制备白铜-铝导线短接、白铜-铜导线短接及白铜-白铜短接的二次短路熔痕；将白铜置于汽油喷灯外焰上烘烤20 min后微调火焰至熄灭以制备白铜火烧熔痕。

为减小随机性对试验结果的影响，在以上7种条件下均制备了5组样品。收集白铜熔痕样品研磨抛光并腐蚀后，利用4XCZ型金相显微镜对三种熔痕的气孔和晶粒类型进行观察、分析、比较和记录，然后对三种熔痕的气孔和晶粒类型的规律进行总结。

2 试验结果

2.1 白铜一次短路熔痕金相组织

如图1～图4，白铜一次短路熔痕的金相组织显示：(1)气孔数量较多，以大气孔为主，气孔的形状比较规则，分布较为均匀；(2)晶粒以细小的树枝晶为主，晶界较细，且生长具有一定的方向性。

图1 白铜-铝1#样品一次短路熔痕金相组织(400×)

图2 白铜-铜4#样品一次短路熔痕金相组织(400×)

图3 白铜-铜5#样品一次短路熔痕金相组织(400×)

图4 白铜-白铜5#样品一次短路熔痕金相组织(400×)

2.2 白铜二次短路熔痕金相组织

如图5～图8，白铜和导线金属材料二次短路熔痕的金相组织显示：(1)气孔数量十分多，以小气孔为主，有少部分大气孔，气孔形状基本较规则，分布均匀；(2)晶粒以较粗大的树枝晶为主，晶界较细，且生长具有一定方向性。

2.3 白铜火烧熔痕金相组织

如图9～图12，白铜火烧熔痕金相组织显示：(1)金相组织中没有气孔；(2)晶粒为粗大的等轴晶，晶界较细，等轴晶的生长无方向性。

图5 白铜-铝5#样品二次短路熔痕金相组织(400×)

图6 白铜-铜4#样品二次短路熔痕金相组织(400×)

图7 白铜-铜5#样品二次短路熔痕金相组织(400×)

图8 白铜-白铜4#样品二次短路熔痕金相组织(400×)

图9 白铜1#样品火烧熔痕金相组织(400×)

图10 白铜2#样品火烧熔痕金相组织(400×)

图11 白铜3#样品火烧熔痕金相组织(400×)

图12 白铜4#样品火烧熔痕金相组织(400×)

2.4 分析与讨论

在发生一次短路时，短路点处先熔成一个小熔池，然后结晶成铸态组织，其是瞬间在相当大的过冷度和冷却速度下形成的，所以生成细小的树枝晶。二次短路熔痕结晶时的环境温度为火烧温度，其冷却速度比较缓慢，过冷度较小，在这种情况下，二次短路熔痕就形成了粗大的树枝晶。而火烧熔痕是在火焰的灼烧下形成的，它的过冷度和冷却速度相对于一次短路来说比较小，因此火烧形成了粗大的等轴晶。因为白铜中有大量合金，所以短路形成树枝晶。火烧熔痕在火焰灼烧下形成，周围温度较高，其冷却速度缓慢，凝固时间长，在白铜融化时，溶解的气体有充分逸出时间，所以火烧熔痕的金相组织基本没有气孔。白铜一二次短路时冷却速度快，过冷度大，凝固的时间比较短，其吸收的气体还没有来得及逸出就被留在组织里，所以会形成大量的气孔。

在试验中，一次短路熔痕的气孔比二次短路熔痕的气孔多而且也比其大的原因从气孔的形成过程看，是一次短路时，冷却速度快，熔痕的凝固时间短，气体逸出量小，所以形成气孔较大。二次短路的冷却速度慢，凝固的时间较一次短路时间长，气体大部分逸出，少量的气体形成气孔，故气孔较小。在一次短路中，过冷度较大，所以形成了细小的树枝晶。二次短路和一次短路比较，冷却速度较慢，过冷度也不及一次短路的大，故形成了粗大树枝晶。

3 结论

经过对白铜和铜铝导线的一次和二次短路熔痕及白铜火烧熔痕金相组织的观察、分析、比较和总结，可得到如下结论：(1)白铜和铜铝导线等一次短路熔痕金相组织特点是气孔多，并且气孔大多数为大气孔，少部分为小气孔，晶粒为细小的树枝晶；(2)白铜二次短路熔痕金相组织特点是气孔多，但是比一次短路熔痕金相组织气孔少，小气孔居多，晶粒为粗大的树枝晶；(3)白铜的火烧熔痕金相组织特点是基本无气孔，晶粒为粗大的等轴晶；(4)白铜一二次短路熔痕和火烧熔痕金相组织之间较容易分辨出来，而一次短路熔痕和二次短路熔痕金相组织辨别则从气孔大小以及树枝晶的大小来判断。