单股铜导线喷溅熔珠的密度与金相组织特征关联性研究

谌康伟，王 芸

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

随着科技日新月异的发展，电气与日常工作生活的联系越来越紧密。电气设备给人们带来方便快捷的同时，电气故障发生频率也逐年升高，而电气故障导致的火灾，占全国每年发生火灾数的比重最大[1]。短路是最常见的电气故障，当导线短路时，短路点在电流巨大的能量作用下，温度可达2 000 ℃，常用的铜导线熔点为1 083 ℃，此时铜导线在高温作用下，会发生熔化和冷凝，从而形成熔珠。因此，短路喷溅熔珠是电气火灾事故中常见的物证[2]，准确确定熔珠类型对于识别火灾原因至关重要。

目前常用的短路熔痕鉴定方法有宏观法、金相分析法、微观形貌法、成分分析法等，其中金相分析法最为常用[3]。在日常的火灾调查中，如果发现火场有熔珠，一般都会采用金相分析法对熔珠进行鉴定，判断熔珠的形成原因，以确定或排除起火原因。金相分析法要求鉴定人员有丰富的经验和专业知识，且会永久性地破坏样品，无法进行其他鉴定，而采用密度法鉴定熔珠不仅操作简便，且不会破坏样品，可与其他鉴定方法的鉴定结果相互对照，能提高鉴定的准确性。本文通过单股铜导线喷溅熔珠密度和金相组织特征的关联性研究，分析熔珠金相组织与密度值的联系，丰富密度法的理论基础。

1 试验部分

1.1 仪器与材料

试验仪器：Sartorius BT224sxin型电子分析天平；烧杯；镊子；浮力支架；宇舟牌YMP.1型金相试样磨抛机；Observe.Alm型金相显微镜；HZ.1型火灾物证综合实验台。

试验材料：1.5 mm2单股铜导线；2.5 mm2单股铜导线；造牙树脂(Ⅱ型自凝粉剂)；义齿基托树脂(Ⅱ型)；金刚砂抛光剂；120#砂纸；400#砂纸；800#砂纸；2 000#砂纸；抛光布；三氯化铁溶液。

1.2 短路喷溅熔珠的制备

将1.5 mm2和2.5 mm2单股铜导线裁剪成15 cm的小段，剥去每一小段铜导线两端的绝缘皮。在火灾物证综合实验台上，用电焊机模拟一次短路形成条件，在电弧巨大的能量下，产生一次短路喷溅熔珠。一次短路喷溅熔珠制备个数分别为1.5 mm2单股铜导线21个，2.5 mm2单股铜导线26个。

采用石膏板搭建一个箱子，接入透光率仪，在箱子中点燃木屑并调节遮挡板，改变石膏板箱开口的大小，使透光率仪的示数维持在50%左右，对两根小段单股铜导线端部同时加热，随后在箱子中用电焊机模拟二次短路[4]，形成二次短路喷溅熔珠，二次短路喷溅熔珠制备数量分别为1.5 mm2单股铜导线22个，2.5 mm2单股铜导线25个。

1.3 短路喷溅熔珠的密度测定和金相分析

图1为密度测量装置，由浮力支架和分析天平组成。将短路喷溅熔珠放置在浸没于水中的吊篮里，即可测出熔珠在水中的质量，根据阿基米德原理，物体于液体中所受浮力等于其排开液体的重力，可以得出公式[5]：

式中，ρ熔珠和ρ水分别为短路喷溅熔珠和水的密度；m空和m水分别为短路喷溅熔珠在空气中和水中测得的质量。

图1 密度测量装置

将测完密度的短路喷溅熔珠经镶嵌、120#砂纸研磨、400#砂纸研磨、800#砂纸研磨、2 000#砂纸研磨、抛光布抛光、腐蚀后，利用金相显微镜进行观察、分析和记录。

2 试验结果

2.1 一次短路喷溅熔珠密度及金相组织

图2和图3分别是1.5 mm2和2.5 mm2铜导线一次短路喷溅熔珠金相组织图，它们的密度分别为7.02 g·cm-3和7.35 g·cm-3。两者的孔洞体积较小，且大都均匀分布于熔珠边缘位置，但图2中熔珠孔洞数量相对较多，因此其密度小于图3中熔珠。两者的金相组织均为细小的柱状晶、胞状晶。

表1为一次短路喷溅熔珠密度描述统计，1.5 mm2和2.5 mm2铜导线一次短路喷溅熔珠密度平均值分别为7.33 g·cm-3和7.35 g·cm-3。图4、图5

图2 1.5 mm2一次短路喷溅熔珠(100×)

图3 2.5 mm2一次短路喷溅熔珠(100×)

分别为1.5 mm2和2.5 mm2铜导线一次短路熔珠密度值的直方图和正态曲线，不难看出都近似于正态分布，根据正态分布曲线，一次短路喷溅熔珠金相密度主要集中于7.00 g·cm-3到8.00 g·cm-3之间。

表1 一次短路喷溅熔珠密度描述统计表

图4 1.5mm2铜导线一次短路喷溅熔珠密度值直方图和正态曲线

图5 2.5 mm2铜导线一次短路喷溅熔珠密度值直方图和正态曲线

2.2 二次短路喷溅熔珠密度及金相组织

图6和图7分别是1.5 mm2和2.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠金相组织图，其密度分别为6.33 g·cm-3和6.59 g·cm-3。熔珠中间部位均分布着不规则的较大气孔，由于前者的孔洞数量相对较多，因此其密度小于后者，两者的金相组织大都为粗大的柱状晶。

图6 1.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠(100×)

图7 2.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠(100×)

表2为二次短路喷溅熔珠密度描述统计，1.5 mm2和2.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠的密度平均值分别为7.02 g·cm-3和7.05 g·cm-3。

表2 二次短路喷溅熔珠密度描述统计表

图8和图9分别为1.5 mm2和2.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠密度值的直方图和正态曲线，可以看出它们都近似于正态分布，根据正态分布曲线，二次短路喷溅熔珠的密度主要集中于6.50 g·cm-3到7.50 g·cm-3之间。

图8 1.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠密度值直方图和正态曲线

图9 2.5 mm2铜导线二次短路喷溅熔珠密度值直方图和正态曲线

2.3 分析与讨论

短路喷溅熔珠在形成过程中，冷却速度较快，当金属熔化成液滴时，一些空气尚未完全反应并溢出金属，液滴就冷凝成固体，部分空气被截留在液滴的内部组织中形成孔洞。一次短路形成时的环境气氛较为洁净[6]，主要为空气，而二次短路形成时环境气氛较为复杂，含有大量烟尘、燃烧产物等杂质，因此二次短路喷溅熔珠中的孔洞数量和体积都远远大于一次短路喷溅熔珠。由于短路喷溅熔珠中的孔洞是影响其密度的主要因素，因此在密度统计中，一次短路喷溅熔珠密度整体上大于二次短路喷溅熔珠。

通过一、二次短路喷溅熔珠的密度统计可发现，虽然一次短路喷溅熔珠的密度普遍大于二次短路喷溅熔珠，但两者密度分布存在着一定的重合。一方面是一次短路喷溅熔珠在飞溅过程中有可能混入较多的空气，导致其内部同样产生较多的孔洞，图10为2.5 mm2铜导线一次和二次短路喷溅熔珠金相组织图，两者的密度分别为6.64 g·cm-3、6.75 g·cm-3，前者的孔洞较多，因此前者的密度小于后者。另一方面，晶粒大小也是影响短路喷溅熔珠密度大小的因素之一，随着晶粒增大，其密度也有增大的趋势，图11为1.5 mm2和2.5 mm2铜导线一次短路喷溅熔珠的金相组织图，它们的密度分别为6.95 g·cm-3、7.17 g·cm-3，两颗熔珠几乎都没有气孔，但是后者的晶粒大于前者，因此后者的密度相对更大。一次短路喷溅熔珠形成过程中过冷度较高，其晶体

(a) 一次短路喷溅熔珠(100×)

(b) 2.5 mm2铜导线(100×)

还没有长大就已经凝固，因此多为细密的柱状、胞状晶体[7]，而二次短路喷溅熔珠形成时过冷度较低，多形成粗大的柱状晶，所以二次短路喷溅熔珠的晶粒普遍大于一次短路喷溅熔珠，这使得一、二次短路喷溅熔珠密度分布产生了更多的重合。

3 结论

制备不同线径的单股铜导线一次短路及二次短路喷溅熔珠，对比分析其密度和金相组织图，可以得出以下结论：(1)单股铜导线短路喷溅熔珠的密度主要受其内部孔洞的影响，也在一定程度上受晶粒尺寸影响，熔珠内部的孔洞数量越少、孔洞体积越小、晶粒越大，则其密度越大。(2)由于二次短路喷溅熔珠内部孔洞数量较多、体积较大，因此单股铜导线一次短路喷溅熔珠的密度普遍大于二次短路喷溅熔珠，一次短路喷溅熔珠平均密度为7.34 g·cm-3，二次短路喷溅熔珠平均密度约为7.00 g·cm-3。(3)由于孔洞和晶粒的共同影响，一次短路和二次短路喷溅熔珠的密度分布存在一定重合。(4)单股铜导线的线径对其短路喷溅熔珠的金相组织和密度几乎没有影响。