一次短路熔痕是認(rèn)定電氣火災(zāi)的重要物證,在火災(zāi)調(diào)查中發(fā)揮著重要作用[1－3],如何準(zhǔn)確判定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的一次短路熔痕是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[4－6]。現(xiàn)有的銅導(dǎo)線熔痕理論認(rèn)為：一次短路熔痕是在火災(zāi)發(fā)生前快速凝固而成的,凝固時(shí)具有較大的過(guò)冷度,凝固后顯微組織為細(xì)小的胞狀晶。火災(zāi)調(diào)查研究人員將細(xì)小胞狀晶作為一次短路熔痕的定性特征,用于鑒定火災(zāi)物證[7]。在實(shí)際火災(zāi)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境中,銅導(dǎo)線一次短路熔痕形成后會(huì)繼續(xù)受熱,受熱溫度高于600 ℃時(shí),材料的顯微組織發(fā)生變化[8－11]。目前,關(guān)于火災(zāi)中銅導(dǎo)線一次短路熔痕顯微組織定性特征轉(zhuǎn)變的臨界條件,以及純銅快速凝固組織再結(jié)晶規(guī)律的研究均少有報(bào)道,因此在進(jìn)行復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境中銅導(dǎo)線短路熔痕的鑒定工作時(shí),缺少科學(xué)的理論依據(jù)及準(zhǔn)確的技術(shù)手段,致使火災(zāi)原因認(rèn)定工作不能順利開展。 

筆者通過(guò)定性模擬試驗(yàn)制備了銅導(dǎo)線一次短路熔痕,根據(jù)火災(zāi)燃燒的溫度規(guī)律對(duì)銅導(dǎo)線一次短路熔痕進(jìn)行不同程度的高溫處理,對(duì)比分析其顯微組織、顯微硬度等特征在受熱前后的變化情況,研究了銅導(dǎo)線一次短路熔痕顯微組織的再結(jié)晶規(guī)律和定性特征轉(zhuǎn)變的臨界條件,進(jìn)一步完善了銅導(dǎo)線熔痕理論,同時(shí)為火災(zāi)物證鑒定提供了新的技術(shù)依據(jù)。 

1.   試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1   試樣制備

選用Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.50%的紫銅導(dǎo)線。按照圖1搭建一次短路熔痕制備電路,采用一次短路熔痕制備裝置制備銅導(dǎo)線一次短路熔痕。 

圖  1  銅導(dǎo)線一次短路熔痕制備試驗(yàn)電路圖

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使用可控溫箱式電爐,參照表1分別對(duì)銅導(dǎo)線一次短路熔痕進(jìn)行高溫處理。電爐的升溫速率為20 ℃/min,爐溫穩(wěn)定度為±3 ℃,然后對(duì)處理后的熔痕試樣進(jìn)行空冷。 

Table  1.  一次短路熔痕高溫處理方法

受熱溫度/℃	保溫時(shí)間/min
600	0	50	100	150	200
700	0	50	100	150	200
800	0	50	100	150	200

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1.2   試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 16840.4—2021 《電氣火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第4部分：金相分析法》,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)一次短路熔痕進(jìn)行金相檢驗(yàn),分析熔痕的顯微組織形貌和晶粒面積。選取具有胞狀晶特征的熔痕,采用原位對(duì)比的方法分析熔痕同一處金相磨面受熱前后的顯微組織,分析一次短路熔痕胞狀晶的再結(jié)晶特征。 

使用掃描電鏡(SEM)觀察一次短路熔痕金相試樣,分析熔痕受熱后顯微組織的變化。 

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》,使用顯微硬度儀對(duì)一次短路熔痕進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,壓痕間距為0.5 mm,保持力為0.098 N,保持時(shí)間為15 s。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   顯微組織

圖2為不同受熱條件下銅導(dǎo)線一次短路熔痕的顯微組織形貌。由圖2可知：銅導(dǎo)線一次短路熔痕的原始顯微組織呈細(xì)小的胞狀晶特征；一次短路熔痕在600 ℃的高溫中持續(xù)受熱200 min,其顯微組織均呈細(xì)小的胞狀晶特征；當(dāng)一次短路熔痕受熱至700 ℃,保溫時(shí)間為100 min時(shí),熔痕中可見(jiàn)呈柱狀晶特征的胞狀晶團(tuán),晶團(tuán)外輪廓線形成的晶界逐漸明顯,尺寸明顯大于原始的胞狀晶,但大晶界內(nèi)仍可見(jiàn)細(xì)小的胞狀晶,當(dāng)保溫時(shí)間為200 min時(shí),大晶界逐漸明顯,細(xì)小胞狀晶特征逐漸弱化,但在顯微鏡下仍可分辨；當(dāng)一次短路熔痕受熱至800 ℃時(shí),隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng),顯微組織中的胞狀晶特征逐漸消失,柱狀晶特征逐漸明顯,晶粒面積明顯增大。 

圖  2  不同受熱條件下銅導(dǎo)線一次短路熔痕顯微組織形貌

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表2為不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的計(jì)算結(jié)果,圖3為不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的變化曲線。由表2和圖3可知：銅導(dǎo)線一次短路熔痕原始晶粒面積的平均值為44.29 μm2；一次短路熔痕在受熱溫度為600 ℃,保溫時(shí)間為200 min時(shí),晶粒面積與原始晶粒基本一致,未發(fā)生明顯變化；一次短路熔痕在受熱溫度為700 ℃,保溫時(shí)間為200 min時(shí),晶粒面積較原始晶粒有所增大；當(dāng)一次短路熔痕受熱至800 ℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶粒面積明顯增大,當(dāng)保溫時(shí)間為100 min時(shí),晶粒面積測(cè)量值的離散系數(shù)為78.17%[12],說(shuō)明被測(cè)晶粒面積的離散程度較大,該熔痕的晶粒面積分布不均勻,當(dāng)保溫時(shí)間為200 min時(shí),晶粒面積較原始晶粒增大了708.61%。 

Table  2.  不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積的計(jì)算結(jié)果

受熱溫度/℃	保溫時(shí)間/min
	0		50		100		150		200
	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差
0	44.29	7.51	－	－	－	－	－	－	－	－
600	42.54	10.22	41.56	7.84	41.97	7.08	41.85	8.83	41.44	8.90
700	44.43	8.52	41.60	7.88	40.75	7.52	41.46	8.16	41.08	11.00
800	42.32	10.13	211.91	165.65	305.40	272.60	313.86	271.13	313.84	157.13

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圖  3  不同受熱條件下一次短路熔痕晶粒面積變化曲線

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2.2   硬度測(cè)試

表3為不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測(cè)試結(jié)果,圖4為不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度變化曲線。由表3和圖4可知：一次短路熔痕硬度低于未熔化的導(dǎo)線基體；隨著受熱溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng),熔痕硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),這一過(guò)程符合純銅在退火狀態(tài)下力學(xué)性能與溫度的關(guān)系[13]；當(dāng)受熱溫度為800 ℃,保溫時(shí)間為100 min時(shí),一次短路熔痕的硬度明顯下降,說(shuō)明熔痕內(nèi)的胞狀晶已完成再結(jié)晶,由排列較為致密的細(xì)小胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇缶Ы缰鶢罹А＞Ы鐢?shù)量降低和晶粒形態(tài)轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致熔痕的硬度進(jìn)一步降低。 

Table  3.  不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測(cè)試結(jié)果

受熱溫度/℃	保溫時(shí)間/min
	0		50		100		150		200
	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差	平均值	標(biāo)準(zhǔn)偏差
原始導(dǎo)線	70	2.55	－	－	－	－	－	－	－	－
0	51	4.80	－	－	－	－	－	－	－	－
600	50	1.82	46	4.55	41	3.96	47	3.08	45	6.07
700	45	2.70	46	2.30	45	4.34	48	5.67	45	1.73
800	44	1.26	45	1.64	40	0.71	40	4.44	36	3.85

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圖  4  不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度變化曲線

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2.3   掃描電鏡分析

銅導(dǎo)線一次短路在室溫環(huán)境中發(fā)生,在短路瞬間產(chǎn)生的液態(tài)銅短時(shí)間內(nèi)獲得了很大的過(guò)冷度,隨后發(fā)生大量形核,并在隨后的快速凝固階段因平面凝固、界面失穩(wěn)而形成有大量細(xì)小胞狀晶結(jié)構(gòu)的一次短路熔痕。細(xì)小的原始胞狀晶有大量銳角晶界,晶粒沿銳角晶界不斷進(jìn)入周圍具有相同排列特征的相鄰晶粒中,以合并晶界的方式生長(zhǎng),最終形成柱狀晶界(見(jiàn)圖5)。 

圖  5  一次短路熔痕的SEM形貌

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3.   綜合分析

在短路瞬間產(chǎn)生的液態(tài)銅快速凝固,形成了細(xì)化凝固組織,組織繼續(xù)受熱會(huì)發(fā)生再結(jié)晶,且再結(jié)晶過(guò)程受到加熱溫度和保溫時(shí)間的影響[14－15]。銅導(dǎo)線一次短路熔痕形成后存留在火場(chǎng)中,隨火場(chǎng)環(huán)境溫度的變化還將經(jīng)歷受熱及空冷過(guò)程,這一過(guò)程與銅的退火過(guò)程一致,為細(xì)小胞狀晶結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶提供了外在條件和驅(qū)動(dòng)力[16－17]。當(dāng)熔痕持續(xù)受到外部熱量后,胞狀晶的銳角晶界更易按照晶界弓出的機(jī)制形核,并進(jìn)入再結(jié)晶階段[18],原始的一次短路熔痕中具有大量相同排列特征的胞狀晶團(tuán),這些晶團(tuán)均可按照晶界弓出機(jī)制再結(jié)晶。各晶團(tuán)邊界的尺寸差別較大,因此再結(jié)晶后柱狀晶的晶粒面積分布不均。 

圖6為短路熔痕顯微組織的形成機(jī)制。傳統(tǒng)的熔痕理論認(rèn)為短路熔痕顯微組織在短路時(shí)形成,并在火災(zāi)中穩(wěn)定存在,采用金相檢驗(yàn)方法能夠判定熔痕的熔化性質(zhì),該理論為區(qū)分火場(chǎng)熔痕提供了重要的技術(shù)方向。基于短路熔痕胞狀晶的再結(jié)晶機(jī)制,可將傳統(tǒng)的熔痕理論進(jìn)一步完善,將短路熔痕的形成過(guò)程分為3個(gè)階段。 

圖  6  短路熔痕顯微組織的形成機(jī)制示意

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(1) 熔化階段。銅導(dǎo)線發(fā)生短路故障后,短路點(diǎn)處的銅導(dǎo)體快速熔化形成高溫液態(tài)Cu,同時(shí)與未熔化的銅導(dǎo)線之間形成固液界面γ1,與周圍的環(huán)境氣氛形成氣液界面γ2。固液界面γ1的出現(xiàn)形成了短路熔痕的過(guò)渡區(qū)γ1′,短路的劇烈程度、液態(tài)Cu的質(zhì)量及其與環(huán)境氣氛的混合程度,決定了γ2的面積和形態(tài)[19]。 

(2) 凝固階段。高溫液態(tài)Cu在較高的過(guò)冷度下快速凝固,熔痕中的固液界面γ1開始向氣液界面γ2推移,固液界面γ1經(jīng)過(guò)的熔痕區(qū)域形成了細(xì)小胞狀晶。當(dāng)γ1推進(jìn)至γ2時(shí),固液界面γ1和氣液界面γ2合并,熔痕完成凝固,內(nèi)部的顯微組織主要為快速凝固階段的細(xì)小胞狀晶；同時(shí)形成新的固氣界面γ2′,即熔痕的宏觀形貌及內(nèi)部孔洞[20]。 

(3) 再結(jié)晶階段。已凝固的熔痕在火災(zāi)環(huán)境中繼續(xù)受熱,熔痕中最初形成的細(xì)小胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶,并隨火災(zāi)環(huán)境冷卻。再結(jié)晶階段熔痕不再熔化,γ2′穩(wěn)定存在,熔痕形狀不發(fā)生變化。 

4.   在電氣火災(zāi)物證鑒定中的應(yīng)用

電氣火災(zāi)物證鑒定主要依靠熔痕的宏觀形貌、顯微組織、孔洞特征判定其熔化性質(zhì)。其中,胞狀晶為一次短路熔痕判定的主要依據(jù),柱狀晶為二次短路熔痕判定的主要依據(jù)。銅導(dǎo)線基體的顯微組織為細(xì)小等軸晶,一次短路發(fā)生后因快速凝固而形成細(xì)小胞狀晶,二者差別較大[見(jiàn)圖7a),7b)]。一次短路熔痕持續(xù)受熱,胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶,轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹見(jiàn)圖7c)]。柱狀晶是銅導(dǎo)線二次短路熔痕的主要判據(jù)之一,因此僅通過(guò)顯微組織判定熔痕,可能將發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變的一次短路熔痕誤判為二次短路熔痕。針對(duì)這一情況,在進(jìn)行電氣火災(zāi)物證鑒定時(shí),首先要了解熔痕提取部位的燃燒溫度和燃燒時(shí)間等火場(chǎng)信息,充分了解熔痕在火災(zāi)全過(guò)程的受熱過(guò)程,結(jié)合熔痕宏觀形貌、內(nèi)部孔洞特征及火場(chǎng)信息綜合判定,得出準(zhǔn)確的鑒定結(jié)論,為火災(zāi)原因認(rèn)定提供科學(xué)的技術(shù)依據(jù)。 

圖  7  銅導(dǎo)線短路熔痕的顯微組織形貌

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5.   結(jié)論

銅導(dǎo)線一次短路熔痕的形成過(guò)程為熔化、凝固、再結(jié)晶,當(dāng)熔痕受熱溫度為800 ℃,保溫時(shí)間為100 min時(shí),顯微組織的胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶并轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?再結(jié)晶的柱狀晶晶粒面積分布不均勻。 

當(dāng)利用顯微組織特征判定電氣火災(zāi)物證的熔化性質(zhì)時(shí),首先要了解熔痕提取部位的燃燒溫度、燃燒時(shí)間等火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息,充分了解熔痕在火災(zāi)全過(guò)程的受熱過(guò)程,并結(jié)合熔痕宏觀形貌、內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)特征及火場(chǎng)信息綜合判定,得出準(zhǔn)確的鑒定結(jié)論。 

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