火焰温度对铜导线一次短路熔痕的影响
高嵩 张金专 王勇 潘剑英
（中国人民武装警察部队学院研究生三队，河北 廊坊）
摘要：为了加强对电气短路痕迹的实验研究，掌握温度对铜导线一次短路熔痕的影响规律，本文设计相关实验在火焰高温下进行铜导线一次短路的模拟实验，收集短路熔痕，通过金相分析得到火焰温度对铜导线短路熔痕的影响规律。实验结果表明：对于一次短路，金相组织多为胞状晶和柱状晶，随着受热温度的升高，晶粒增大，晶粒排列的方向性变弱，过渡区由清晰变化至模糊，且当达到1000℃左右时，其金相组织将发生较为明显的变化，有新的物质生成或析出。本文通过分析、对比不同温度下一次短路熔痕金相组织，得出了温度对单股铜导线短路熔痕的影响规律，为电气火灾鉴定工作提供了一定的借鉴。
关键词：火焰温度；单股铜导线；短路熔痕；金相分析
1 引言
根据相关数据资料显示，2005年以来我国电气火灾所占比例逐年升高，到2009年甚至已占到所有火灾的三成以上。2005-2011年间发生的84起重、特大火灾中，有37起是由电气线路原因引起，比例高达44％。种种事实证明，电气火灾的发生起数呈现出了明显的增加趋势，俨然已经成为火灾损失的一个重要方面，严重威胁着国家财产和人民生命安全。而电气故障的发生原因又以短路居多，因此能否准确判断短路发生的时间，在火灾调查中具有不可替代的重要意义。在我国《电气火灾痕迹物证技术鉴定方法》（GB/T 16840）中也提出了金相分析法、宏观法等多种物证鉴定方法，其中对一、二次短路熔珠及火烧熔珠的金相组织也作出了具有明显区别的结论［1～3］，但是在实际火灾调查中，导线由于长时间受火场的高温作用而难以较好地得出明显、典型的特征痕迹情况，因此有必要进行不同火焰温度对导线短路熔痕的影响规律的研究，进而为实际调查工作提供更全面的理论支持。本文在有限的实验条件下采用2.5mm2线径铜导线作为研究对象模拟火场实际情况，在220V交流电压下使铜导线发生一次短路，并使其在不同的火焰高温下实验得到相应的一次短路熔痕，然后进行金相分析，找出其金相组织的典型特点以及变化规律，从而为火灾鉴定提供依据。
2 实验部分
2.1 实验设备与材料
2.1.1 实验设备
火灾痕迹物证综合实验台、P-2金相试样抛光机、4XCZ型金相显微镜、Canon Power Shot A630数码照相机、一体化程控高温炉（最高温度1200℃）。
2.1.2 实验材料
2.5mm2的聚氯乙烯单芯铜导线、坩埚钳、自凝牙托粉、自凝牙托水、氧化铝金相试样抛光粉、三氯化铁盐酸水溶液、酒精、（240#、400#、600#、800#、1200#）金相砂纸。
2.2 样品制备
2.2.1 铜导线一次短路样品的制备
将规格为2.5mm2的铜导线，分别截成20cm长的若干段，两端剥掉1cm左右的绝缘皮，在火灾痕迹物证综合实验台制备铜导线一次短路熔痕。实验过程：连接电路，如图1（图中U为220V、50Hz交流电，K为开关，F为保险盒，T为打铁，S为搭接短路点），将一根导线固定到电焊把上，接通电源，用固定在电焊把上的导线的线芯点触试验台上的打铁，二者接触后，发生短路，产生短路熔痕。断开电源，收集交流一次短路熔痕作为试样，选取其中5个短路熔痕试样。
图1 模拟铜导线一次短路实验电路图
2.2.2 不同火焰温度下一次短路样品的制备
将热电偶置于酒精喷灯火焰上方，改变热电偶在火焰中的高度，记录600℃、800℃、900℃下对应的高度，而后，将带有一次短路熔痕的导线，固定在铁架台上，调整一次短路熔痕在火焰中的位置，如图2所示，使其分别受到600℃、800℃、900℃火焰作用，作用25min后，置于空气中冷却，每个温度点重复5次实验。
图2 一次短路熔痕受酒精喷灯火焰加热作用图
3 实验结果与讨论
3.1 未经高温作用的一次短路熔痕金相组织
图3、图4是未经高温作用、直接短路实验操作得到的铜导线一次短路熔痕的金相组织。
图3 一次短路金相组织1-100X
图4 一次短路金相组织2-100X
观察图3、图4可见，铜导线一次短路熔痕熔化区与本体间存在明显的界限；熔化区以细小的胞状晶为主，同时存在少量的在某一界面延伸长成的柱状晶及树枝晶；晶界较细，且从熔痕中心向边缘有变粗的趋势；气孔形状都为圆形，数量较少分布不均。
3.2 不同火焰温度下一次短路熔痕金相组织
3.2.1 600℃条件下铜导线一次短路熔痕的金相组织
图5、图6是在600℃高温下作用25min得到的铜导线一次短路熔痕的金相组织。
图5 600℃一次短路金相组织1-100X
图6 600℃一次短路金相组织2-100X
观察图5、图6可见，一次短路熔痕熔化区与本体间存在明显的界限；熔痕组织主要为柱状晶；熔痕内气孔大小不一，分布稀疏，晶界细小且不清晰。
3.2.2 800℃条件下铜导线一次短路熔痕的金相组织
图7、图8是在800℃高温下作用25min得到的铜导线一次短路熔痕的金相组织。
图7 800℃一次短路金相组织1-100X
图8 800℃一次短路金相组织2-100X
观察图7、图8可见，一次短路熔痕熔化区与本体间界限清晰明显，部分较粗，界限两侧的晶体形状差异减小；熔化区内主要为较大的柱状晶，气孔较少，分布无明显规律。
3.2.3 900℃条件下铜导线一次短路熔痕的金相组织
图9、图10是在900℃高温下作用25min得到的铜导线一次短路熔痕的金相组织。
图9 900℃一次短路金相组织1-100X
图10 900℃一次短路金相组织2-100X
观察图9、图10可见，一次短路熔痕与本体间界限明显，晶界十分清晰且有明显变粗；熔化区主要有粗大的柱状晶组成，排布方向杂乱，气孔分布不均。
3.3 分析与讨论
铜及铜合金的相组成是由基体（固溶体）、其他端际固溶体和金属间化合物等组成。铜铸锭组织受冷却速度的影响，当冷却速度很小时易出现粗大的晶粒和粗疏的枝晶网络；当冷却速度增大时，过冷度也增大，铜液内结晶成核率将明显大于晶粒长大的速度，晶粒此时将趋于细化，枝晶网可能很细，也可能因液相中的元素此时变得难以扩散，铜液不再作选分结晶而减轻枝晶偏析程度。
铜导线一次短路熔痕的金相组织都是由细小的柱状晶或胞状晶组成。当熔痕从液态结晶时，由于一次短路熔痕在结晶时的温度为正常气温，冷却速度较快，其结晶的过冷度也就大一些，因此，一次短路熔痕的金相组织以细小的柱状晶或胞状晶为主。当继续在火焰中加热，发生再结晶，内部晶粒很快长大，随后逐渐减慢，晶界趋于平直，得到粗大晶粒的组织。含有较多杂质时，晶界的迁移将受到阻碍，只会有少数处于优越条件的晶粒优先长大，迅速吞食周围的大量小晶粒，或发生二次再结晶，最后获得异常粗大的组织［4］。
一次短路熔珠与导线衔接处有较明显的界限，而一次短路熔痕的金相组织虽然由细小的柱状晶相互吞并聚集长大，但在大晶界内仍存在着柱状晶的痕迹，过渡区的界限依然比较明显。一次短路熔珠在形成时，因环境温度较低，整个导线的金相组织为加工时的状态。在短路瞬间，除短路点处于高温状态下外，整个导线的温度并不高，其金相组织仍呈方向性，所以温度过渡区的界限比较明显。如果继续在火焰中不断加热，过渡区域加工状态的金相组织虽随着温度的升高而再结晶变成粗大的等轴晶，以及在短路熔珠内的细小柱状晶也发生了晶粒长大，但过渡区的界限仍然比较清楚［5］。
一次短路熔痕内部气孔少而小。一次短路熔痕形成的环境温度低，冷却速度快，凝固过程短，但由于它是在燃烧产物、水蒸气等少的环境中形成的，所以一次短路熔痕内部的气孔总是又少又小。短路后受到火烧作用气孔并不会发生变化，所以火焰温度对其没有任何影响。
4 结论
本文通过分析对比不同温度下一次短路熔痕金相组织，得出了温度对单股铜导线短路熔痕的影响规律，即，通过对600℃、800℃、900℃三个火焰温度下一次短路熔痕金相组织的分析发现：随着加热火焰温度的升高，熔痕与本体的界限依然分明，晶粒有一定程度的长大，晶粒的方向性减弱，且晶界变得平直，而气孔的变化不大。最后，希望此规律可以为实际的火灾调查工作提供更全面的理论支持，为电气火灾鉴定工作提供一定的借鉴。
参考文献
［1］ Fire in the United States 1985-1994，9th ed，US Fire Administration，Emmetsburg MD，1997.
［2］ 张晓凯，周忠平，等.电气线路火灾中铜导线一次短路与二次短路的显微组织特征.分析科学学报，2000.16（5）：406-409.
［3］ 张金专，蒋浩.不同受热温度下一次短路熔珠显微特征分析.火灾科学.2008，17（1）：63-66.
［4］ 刘贲.3mm2线径铜导线在不同温度下一次短路熔痕显微特征分析.中小企业管理与科技，2012（1）：309-309.
［5］ Ishibashi Y，Kishida J.Research on First and Second Fused Mark Discrimination of Electric Wires.Summary of 1990 Annual Meeting of JAFSE，1990.