單股銅導(dǎo)線噴濺熔珠的密度與金相組織特征關(guān)聯(lián)性研究

諶康偉，王 蕓

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

隨著科技日新月異的發(fā)展，電氣與日常工作生活的聯(lián)系越來越緊密。電氣設(shè)備給人們帶來方便快捷的同時(shí)，電氣故障發(fā)生頻率也逐年升高，而電氣故障導(dǎo)致的火災(zāi)，占全國每年發(fā)生火災(zāi)數(shù)的比重最大[1]。短路是最常見的電氣故障，當(dāng)導(dǎo)線短路時(shí)，短路點(diǎn)在電流巨大的能量作用下，溫度可達(dá)2 000 ℃，常用的銅導(dǎo)線熔點(diǎn)為1 083 ℃，此時(shí)銅導(dǎo)線在高溫作用下，會(huì)發(fā)生熔化和冷凝，從而形成熔珠。因此，短路噴濺熔珠是電氣火災(zāi)事故中常見的物證[2]，準(zhǔn)確確定熔珠類型對(duì)于識(shí)別火災(zāi)原因至關(guān)重要。

目前常用的短路熔痕鑒定方法有宏觀法、金相分析法、微觀形貌法、成分分析法等，其中金相分析法最為常用[3]。在日常的火災(zāi)調(diào)查中，如果發(fā)現(xiàn)火場有熔珠，一般都會(huì)采用金相分析法對(duì)熔珠進(jìn)行鑒定，判斷熔珠的形成原因，以確定或排除起火原因。金相分析法要求鑒定人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，且會(huì)永久性地破壞樣品，無法進(jìn)行其他鑒定，而采用密度法鑒定熔珠不僅操作簡便，且不會(huì)破壞樣品，可與其他鑒定方法的鑒定結(jié)果相互對(duì)照，能提高鑒定的準(zhǔn)確性。本文通過單股銅導(dǎo)線噴濺熔珠密度和金相組織特征的關(guān)聯(lián)性研究，分析熔珠金相組織與密度值的聯(lián)系，豐富密度法的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

試驗(yàn)儀器：Sartorius BT224sxin型電子分析天平；燒杯；鑷子；浮力支架；宇舟牌YMP.1型金相試樣磨拋機(jī)；Observe.Alm型金相顯微鏡；HZ.1型火災(zāi)物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

試驗(yàn)材料：1.5 mm2單股銅導(dǎo)線；2.5 mm2單股銅導(dǎo)線；造牙樹脂(Ⅱ型自凝粉劑)；義齒基托樹脂(Ⅱ型)；金剛砂拋光劑；120#砂紙；400#砂紙；800#砂紙；2 000#砂紙；拋光布；三氯化鐵溶液。

1.2 短路噴濺熔珠的制備

將1.5 mm2和2.5 mm2單股銅導(dǎo)線裁剪成15 cm的小段，剝?nèi)ッ恳恍《毋~導(dǎo)線兩端的絕緣皮。在火災(zāi)物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用電焊機(jī)模擬一次短路形成條件，在電弧巨大的能量下，產(chǎn)生一次短路噴濺熔珠。一次短路噴濺熔珠制備個(gè)數(shù)分別為1.5 mm2單股銅導(dǎo)線21個(gè)，2.5 mm2單股銅導(dǎo)線26個(gè)。

采用石膏板搭建一個(gè)箱子，接入透光率儀，在箱子中點(diǎn)燃木屑并調(diào)節(jié)遮擋板，改變石膏板箱開口的大小，使透光率儀的示數(shù)維持在50%左右，對(duì)兩根小段單股銅導(dǎo)線端部同時(shí)加熱，隨后在箱子中用電焊機(jī)模擬二次短路[4]，形成二次短路噴濺熔珠，二次短路噴濺熔珠制備數(shù)量分別為1.5 mm2單股銅導(dǎo)線22個(gè)，2.5 mm2單股銅導(dǎo)線25個(gè)。

1.3 短路噴濺熔珠的密度測定和金相分析

圖1為密度測量裝置，由浮力支架和分析天平組成。將短路噴濺熔珠放置在浸沒于水中的吊籃里，即可測出熔珠在水中的質(zhì)量，根據(jù)阿基米德原理，物體于液體中所受浮力等于其排開液體的重力，可以得出公式[5]：

式中，ρ熔珠和ρ水分別為短路噴濺熔珠和水的密度；m空和m水分別為短路噴濺熔珠在空氣中和水中測得的質(zhì)量。

圖1 密度測量裝置

將測完密度的短路噴濺熔珠經(jīng)鑲嵌、120#砂紙研磨、400#砂紙研磨、800#砂紙研磨、2 000#砂紙研磨、拋光布拋光、腐蝕后，利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察、分析和記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 一次短路噴濺熔珠密度及金相組織

圖2和圖3分別是1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠金相組織圖，它們的密度分別為7.02 g·cm-3和7.35 g·cm-3。兩者的孔洞體積較小，且大都均勻分布于熔珠邊緣位置，但圖2中熔珠孔洞數(shù)量相對(duì)較多，因此其密度小于圖3中熔珠。兩者的金相組織均為細(xì)小的柱狀晶、胞狀晶。

表1為一次短路噴濺熔珠密度描述統(tǒng)計(jì)，1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠密度平均值分別為7.33 g·cm-3和7.35 g·cm-3。圖4、圖5

圖2 1.5 mm2一次短路噴濺熔珠(100×)

圖3 2.5 mm2一次短路噴濺熔珠(100×)

分別為1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線一次短路熔珠密度值的直方圖和正態(tài)曲線，不難看出都近似于正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布曲線，一次短路噴濺熔珠金相密度主要集中于7.00 g·cm-3到8.00 g·cm-3之間。

表1 一次短路噴濺熔珠密度描述統(tǒng)計(jì)表

圖4 1.5mm2銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態(tài)曲線

圖5 2.5 mm2銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態(tài)曲線

2.2 二次短路噴濺熔珠密度及金相組織

圖6和圖7分別是1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠金相組織圖，其密度分別為6.33 g·cm-3和6.59 g·cm-3。熔珠中間部位均分布著不規(guī)則的較大氣孔，由于前者的孔洞數(shù)量相對(duì)較多，因此其密度小于后者，兩者的金相組織大都為粗大的柱狀晶。

圖6 1.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠(100×)

圖7 2.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠(100×)

表2為二次短路噴濺熔珠密度描述統(tǒng)計(jì)，1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠的密度平均值分別為7.02 g·cm-3和7.05 g·cm-3。

表2 二次短路噴濺熔珠密度描述統(tǒng)計(jì)表

圖8和圖9分別為1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠密度值的直方圖和正態(tài)曲線，可以看出它們都近似于正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布曲線，二次短路噴濺熔珠的密度主要集中于6.50 g·cm-3到7.50 g·cm-3之間。

圖8 1.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態(tài)曲線

圖9 2.5 mm2銅導(dǎo)線二次短路噴濺熔珠密度值直方圖和正態(tài)曲線

2.3 分析與討論

短路噴濺熔珠在形成過程中，冷卻速度較快，當(dāng)金屬熔化成液滴時(shí)，一些空氣尚未完全反應(yīng)并溢出金屬，液滴就冷凝成固體，部分空氣被截留在液滴的內(nèi)部組織中形成孔洞。一次短路形成時(shí)的環(huán)境氣氛較為潔凈[6]，主要為空氣，而二次短路形成時(shí)環(huán)境氣氛較為復(fù)雜，含有大量煙塵、燃燒產(chǎn)物等雜質(zhì)，因此二次短路噴濺熔珠中的孔洞數(shù)量和體積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次短路噴濺熔珠。由于短路噴濺熔珠中的孔洞是影響其密度的主要因素，因此在密度統(tǒng)計(jì)中，一次短路噴濺熔珠密度整體上大于二次短路噴濺熔珠。

通過一、二次短路噴濺熔珠的密度統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，雖然一次短路噴濺熔珠的密度普遍大于二次短路噴濺熔珠，但兩者密度分布存在著一定的重合。一方面是一次短路噴濺熔珠在飛濺過程中有可能混入較多的空氣，導(dǎo)致其內(nèi)部同樣產(chǎn)生較多的孔洞，圖10為2.5 mm2銅導(dǎo)線一次和二次短路噴濺熔珠金相組織圖，兩者的密度分別為6.64 g·cm-3、6.75 g·cm-3，前者的孔洞較多，因此前者的密度小于后者。另一方面，晶粒大小也是影響短路噴濺熔珠密度大小的因素之一，隨著晶粒增大，其密度也有增大的趨勢，圖11為1.5 mm2和2.5 mm2銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠的金相組織圖，它們的密度分別為6.95 g·cm-3、7.17 g·cm-3，兩顆熔珠幾乎都沒有氣孔，但是后者的晶粒大于前者，因此后者的密度相對(duì)更大。一次短路噴濺熔珠形成過程中過冷度較高，其晶體

(a) 一次短路噴濺熔珠(100×)

(b) 2.5 mm2銅導(dǎo)線(100×)

還沒有長大就已經(jīng)凝固，因此多為細(xì)密的柱狀、胞狀晶體[7]，而二次短路噴濺熔珠形成時(shí)過冷度較低，多形成粗大的柱狀晶，所以二次短路噴濺熔珠的晶粒普遍大于一次短路噴濺熔珠，這使得一、二次短路噴濺熔珠密度分布產(chǎn)生了更多的重合。

3 結(jié)論

制備不同線徑的單股銅導(dǎo)線一次短路及二次短路噴濺熔珠，對(duì)比分析其密度和金相組織圖，可以得出以下結(jié)論：(1)單股銅導(dǎo)線短路噴濺熔珠的密度主要受其內(nèi)部孔洞的影響，也在一定程度上受晶粒尺寸影響，熔珠內(nèi)部的孔洞數(shù)量越少、孔洞體積越小、晶粒越大，則其密度越大。(2)由于二次短路噴濺熔珠內(nèi)部孔洞數(shù)量較多、體積較大，因此單股銅導(dǎo)線一次短路噴濺熔珠的密度普遍大于二次短路噴濺熔珠，一次短路噴濺熔珠平均密度為7.34 g·cm-3，二次短路噴濺熔珠平均密度約為7.00 g·cm-3。(3)由于孔洞和晶粒的共同影響，一次短路和二次短路噴濺熔珠的密度分布存在一定重合。(4)單股銅導(dǎo)線的線徑對(duì)其短路噴濺熔珠的金相組織和密度幾乎沒有影響。