分享：銅導線一次短路熔痕顯微組織再結(jié)晶過程

一次短路熔痕是認定電氣火災的重要物證,在火災調(diào)查中發(fā)揮著重要作用[1－3],如何準確判定火災現(xiàn)場的一次短路熔痕是國內(nèi)外學者研究的重點[4－6]?，F(xiàn)有的銅導線熔痕理論認為：一次短路熔痕是在火災發(fā)生前快速凝固而成的,凝固時具有較大的過冷度,凝固后顯微組織為細小的胞狀晶?；馂恼{(diào)查研究人員將細小胞狀晶作為一次短路熔痕的定性特征,用于鑒定火災物證[7]。在實際火災調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在復雜的火災環(huán)境中,銅導線一次短路熔痕形成后會繼續(xù)受熱,受熱溫度高于600 ℃時,材料的顯微組織發(fā)生變化[8－11]。目前,關于火災中銅導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)律的研究均少有報道,因此在進行復雜火災環(huán)境中銅導線短路熔痕的鑒定工作時,缺少科學的理論依據(jù)及準確的技術(shù)手段,致使火災原因認定工作不能順利開展。 

筆者通過定性模擬試驗制備了銅導線一次短路熔痕,根據(jù)火災燃燒的溫度規(guī)律對銅導線一次短路熔痕進行不同程度的高溫處理,對比分析其顯微組織、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,進一步完善了銅導線熔痕理論,同時為火災物證鑒定提供了新的技術(shù)依據(jù)。 

1.   試樣制備和試驗方法

1.1   試樣制備

選用Cu元素質(zhì)量分數(shù)為99.50%的紫銅導線。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線一次短路熔痕。 

圖  1  銅導線一次短路熔痕制備試驗電路圖

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

Table  1.  一次短路熔痕高溫處理方法

受熱溫度/℃	保溫時間/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   試驗方法

依據(jù)GB/T 16840.4—2021 《電氣火災痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第4部分：金相分析法》,采用光學顯微鏡對一次短路熔痕進行金相檢驗,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 第1部分：試驗方法》,使用顯微硬度儀對一次短路熔痕進行顯微硬度測試,壓痕間距為0.5 mm,保持力為0.098 N,保持時間為15 s。 

2.   試驗結(jié)果

2.1   顯微組織

圖2為不同受熱條件下銅導線一次短路熔痕的顯微組織形貌。由圖2可知：銅導線一次短路熔痕的原始顯微組織呈細小的胞狀晶特征；一次短路熔痕在600 ℃的高溫中持續(xù)受熱200 min,其顯微組織均呈細小的胞狀晶特征；當一次短路熔痕受熱至700 ℃,保溫時間為100 min時,熔痕中可見呈柱狀晶特征的胞狀晶團,晶團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)仍可見細小的胞狀晶,當保溫時間為200 min時,大晶界逐漸明顯,細小胞狀晶特征逐漸弱化,但在顯微鏡下仍可分辨；當一次短路熔痕受熱至800 ℃時,隨著受熱時間的延長,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 ℃,保溫時間為200 min時,晶粒面積與原始晶?；疽恢?未發(fā)生明顯變化；一次短路熔痕在受熱溫度為700 ℃,保溫時間為200 min時,晶粒面積較原始晶粒有所增大；當一次短路熔痕受熱至800 ℃時,隨著保溫時間的延長,晶粒面積明顯增大,當保溫時間為100 min時,晶粒面積測量值的離散系數(shù)為78.17%[12],說明被測晶粒面積的離散程度較大,該熔痕的晶粒面積分布不均勻,當保溫時間為200 min時,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算結(jié)果

受熱溫度/℃	保溫時間/min
	0		50		100		150		200
	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差
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   硬度測試

表3為不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測試結(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線基體；隨著受熱溫度的升高及保溫時間的延長,熔痕硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,這一過程符合純銅在退火狀態(tài)下力學性能與溫度的關系[13]；當受熱溫度為800 ℃,保溫時間為100 min時,一次短路熔痕的硬度明顯下降,說明熔痕內(nèi)的胞狀晶已完成再結(jié)晶,由排列較為致密的細小胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇缶Ы缰鶢罹?。晶界?shù)量降低和晶粒形態(tài)轉(zhuǎn)變會導致熔痕的硬度進一步降低。 

Table  3.  不同受熱條件下一次短路熔痕的硬度測試結(jié)果

受熱溫度/℃	保溫時間/min
	0		50		100		150		200
	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差	平均值	標準偏差
原始導線	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)銅短時間內(nèi)獲得了很大的過冷度,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)而形成有大量細小胞狀晶結(jié)構(gòu)的一次短路熔痕。細小的原始胞狀晶有大量銳角晶界,晶粒沿銳角晶界不斷進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,最終形成柱狀晶界(見圖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,形成了細化凝固組織,組織繼續(xù)受熱會發(fā)生再結(jié)晶,且再結(jié)晶過程受到加熱溫度和保溫時間的影響[14－15]。銅導線一次短路熔痕形成后存留在火場中,隨火場環(huán)境溫度的變化還將經(jīng)歷受熱及空冷過程,這一過程與銅的退火過程一致,為細小胞狀晶結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶提供了外在條件和驅(qū)動力[16－17]。當熔痕持續(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制形核,并進入再結(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,這些晶團均可按照晶界弓出機制再結(jié)晶。各晶團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制。傳統(tǒng)的熔痕理論認為短路熔痕顯微組織在短路時形成,并在火災中穩(wěn)定存在,采用金相檢驗方法能夠判定熔痕的熔化性質(zhì),該理論為區(qū)分火場熔痕提供了重要的技術(shù)方向?；诙搪啡酆郯麪罹У脑俳Y(jié)晶機制,可將傳統(tǒng)的熔痕理論進一步完善,將短路熔痕的形成過程分為3個階段。 

圖  6  短路熔痕顯微組織的形成機制示意

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(1) 熔化階段。銅導線發(fā)生短路故障后,短路點處的銅導體快速熔化形成高溫液態(tài)Cu,同時與未熔化的銅導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)過的熔痕區(qū)域形成了細小胞狀晶。當γ1推進至γ2時,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小胞狀晶；同時形成新的固氣界面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環(huán)境中繼續(xù)受熱,熔痕中最初形成的細小胞狀晶發(fā)生再結(jié)晶,并隨火災環(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.   在電氣火災物證鑒定中的應用

電氣火災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)。銅導線基體的顯微組織為細小等軸晶,一次短路發(fā)生后因快速凝固而形成細小胞狀晶,二者差別較大[見圖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見圖7c)]。柱狀晶是銅導線二次短路熔痕的主要判據(jù)之一,因此僅通過顯微組織判定熔痕,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。針對這一情況,在進行電氣火災物證鑒定時,首先要了解熔痕提取部位的燃燒溫度和燃燒時間等火場信息,充分了解熔痕在火災全過程的受熱過程,結(jié)合熔痕宏觀形貌、內(nèi)部孔洞特征及火場信息綜合判定,得出準確的鑒定結(jié)論,為火災原因認定提供科學的技術(shù)依據(jù)。 

圖  7  銅導線短路熔痕的顯微組織形貌

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5.   結(jié)論

銅導線一次短路熔痕的形成過程為熔化、凝固、再結(jié)晶,當熔痕受熱溫度為800 ℃,保溫時間為100 min時,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。 

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

文章來源——材料與測試網(wǎng)