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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014； 2. 香港城市大學(xué)物理及材料科學(xué)系，香港 999077)

0 引 言

電氣火災(zāi)是火災(zāi)案例中的重要類別，年均發(fā)生次數(shù)占火災(zāi)總次數(shù)的28%，年均因電氣火災(zāi)造成的損失約占總損失的36%；且電氣火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)，隱蔽性大，難控難防，嚴(yán)重危害國家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全[1-2]。近年來重特大電氣火災(zāi)事故頻發(fā)，造成不良的社會(huì)影響[3]。電氣火災(zāi)原因的鑒定是消防、保險(xiǎn)等機(jī)構(gòu)非常關(guān)注且長期研究的課題[4]。由于法制意識(shí)的增強(qiáng)及火災(zāi)案件本身所牽涉的關(guān)系越來越多，索賠、訴訟等維權(quán)行為日益增多，科學(xué)、準(zhǔn)確地認(rèn)定火災(zāi)原因已是必需的程序。

我國在電氣火災(zāi)痕跡鑒定領(lǐng)域制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有代表性的鑒定方法主要有宏觀法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、掃描電子顯微鏡(SEM)微觀形貌分析法、模擬試驗(yàn)法等，其中宏觀法和金相分析法是常用的相對(duì)可靠的2種方法，但其應(yīng)用受到環(huán)境和樣品條件的限制。2013年實(shí)施的GB/T 16840.6-2012《電氣火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第6部分：SEM微觀形貌分析法》在一定程度上彌補(bǔ)了單一金相分析法的缺憾，但是這種方法對(duì)熔痕鑒定判據(jù)只做了定性的描述，且沒有提供對(duì)照?qǐng)D譜；應(yīng)用該法開展鑒定工作主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。火災(zāi)熔痕技術(shù)鑒定工作屬于交叉小眾學(xué)科，之前一直由公安消防內(nèi)部機(jī)構(gòu)承擔(dān)，行業(yè)間交流不夠充分。目前，越來越多的社會(huì)第三方司法機(jī)構(gòu)參與此項(xiàng)鑒定工作，這就需要對(duì)電氣火災(zāi)熔痕特征進(jìn)行總結(jié)和分析，并給出相應(yīng)的對(duì)照?qǐng)D譜。為此，作者通過模擬試驗(yàn)制備了銅導(dǎo)線火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，觀察了熔痕的微觀形貌并總結(jié)了其特征。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為山東綠燈行電纜有限公司生產(chǎn)的截面積為2.5 mm2的多股聚氯乙烯絕緣銅導(dǎo)線。

將銅導(dǎo)線放入人為點(diǎn)燃的木垛中，經(jīng)燃燒、熄滅、冷卻形成火燒熔痕。將20 cm長銅導(dǎo)線兩端去掉絕緣皮，一端接在BX1-315型電焊機(jī)的電把子上，接通電源后另一端直接點(diǎn)擊接地金屬，產(chǎn)生高溫電弧使銅導(dǎo)線熔化，冷卻后形成一次短路熔痕。取兩根20 cm長的銅導(dǎo)線，將每根銅導(dǎo)線帶絕緣皮的一端擰在一起，另一端均去掉2 cm長絕緣皮以露出芯線，分別接在電焊機(jī)的正負(fù)極上，接通電源，因絕緣皮的作用線路處于斷路狀態(tài)；用汽油噴燈的外焰點(diǎn)燃擰在一起的銅導(dǎo)線部分，使絕緣皮失去絕緣作用，兩根導(dǎo)線突然短路產(chǎn)生電弧，形成二次短路熔痕。

把模擬制備的一次短路熔痕置于SX2-4-13型箱式電阻爐內(nèi)，加熱到600 ℃保溫30 min，模擬火場高溫作用。

1.2 試驗(yàn)方法

用酒精清洗試樣表面，將熔痕與基體沿二者的銜接處掰開，在SUPRA型場發(fā)射掃描電鏡下觀察熔痕斷口形貌；熔痕斷口經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，用Axio Observer.A1m型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火燒熔痕的微觀形貌

由圖1可見，火燒熔痕斷口上基本沒有孔洞。在火災(zāi)環(huán)境中形成熔化痕跡時(shí)，在從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中晶核有一個(gè)形成與長大的階段，銅充分地吸收了周圍的氧氣而發(fā)生氧化還原反應(yīng)，大部分的氣體逸出；同時(shí)，火災(zāi)現(xiàn)場的溫度較高，冷卻相對(duì)緩慢，凝固過程較長，氣體的溶解時(shí)間較充分。因此，火燒熔痕呈現(xiàn)上述微觀形貌特征[5]。

圖1 銅導(dǎo)線火燒熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.1 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of fire melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

2.2 一次短路熔痕的微觀形貌

由圖2可見：銅導(dǎo)線一次短路熔痕斷口上存在明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織；斷口上的孔洞均勻、細(xì)密，形狀為圓或橢圓形,其中能觀察到底部的孔洞是氣孔，形狀不太規(guī)則且看起來象中空的孔洞是縮孔[6]，放大后可以看到斷口呈拋物線型卵形花樣。

在由短路造成的火災(zāi)中，一次短路熔痕在形成以后可能會(huì)受到火場高溫的影響。在正常環(huán)境下的一次短路熔痕和高溫作用后的一次短路熔痕在微觀形貌上是否有區(qū)別，是電氣火災(zāi)原因鑒定中值得研究的問題。由圖3可見：經(jīng)600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕斷口仍呈拋物線型卵形花樣，孔洞均勻、細(xì)密；孔壁光滑，粗糙紋跡甚少，孔洞底部有裂紋，且有的孔洞壁上形成了顆粒狀晶體。從組織形態(tài)上看，經(jīng)600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕中仍存在明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織。綜上，經(jīng)600 ℃高溫作用后一次短路熔痕的特征與在正常環(huán)境下的相似。

在液態(tài)銅的凝固結(jié)晶過程中，如果冷卻速率足夠慢，大部分溶解的氣體會(huì)排出；反之，則有較多的氣體滯留在內(nèi)部而形成氣孔。一次短路環(huán)境中產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物、水蒸氣等物質(zhì)的含量較少，熔珠純度高，因此一次短路熔痕內(nèi)部氣孔形成時(shí)受雜質(zhì)的影響小，所得氣孔均勻細(xì)密、比較規(guī)則。

圖2 銅導(dǎo)線一次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.2 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of primary short circuited melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

圖3 600 ℃保溫30 min后一次短路熔痕的斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of primary short circuited melted mark after holding at 600 ℃ for 30 min:(a) oval pattern and (b) granular crystal

圖4 銅導(dǎo)線二次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.4 OM (a) and SEM (b-d) morphology of fracture of secondary short circuited melted mark of copper wire: (b) at low magnification;(c) at high magnification, view 1 and (d) at high magnification, view 2

2.3 二次短路熔痕的微觀形貌

由圖4可知：銅導(dǎo)線二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內(nèi)表面上存在小的孔洞，斷口呈蜂窩狀花樣；放大后可見孔洞底部存在平行的條形花紋，內(nèi)壁上有小的縮孔、卵石狀顆粒和灰塵。從組織形態(tài)上看，二次短路熔痕中存在明顯的亞結(jié)構(gòu)即胞狀晶。

二次短路熔痕是通過模擬火災(zāi)環(huán)境而得到的?；馂?zāi)現(xiàn)場溫度較高，銅液的冷卻速率慢、凝固過程長，逸出的氣體相對(duì)較多;但火災(zāi)環(huán)境中存在的大量灰塵、雜質(zhì)、各種燃燒產(chǎn)物以及水蒸氣也會(huì)同時(shí)進(jìn)入純銅液中。因此，二次短路熔痕中的氣孔又大又多。

液態(tài)金屬在凝固前后會(huì)發(fā)生體積變化，體積收縮率為3%～5%。在電弧中斷后，液態(tài)金屬表面先冷卻凝固，當(dāng)液態(tài)金屬內(nèi)部凝固時(shí)，部分體積收縮未得到補(bǔ)充。因此，無論是一次短路熔痕還是二次短路熔痕，其內(nèi)部除了有氣孔存在外，均還有部分縮孔存在。一次短路熔痕與二次短路熔痕形成縮孔的機(jī)制是相同的，但因二者形成的環(huán)境和溫度有所不同，故一次短路熔痕內(nèi)的縮孔小而少，形狀較規(guī)則；二次短路熔痕內(nèi)的縮孔大而多，形狀不規(guī)則。

3 結(jié) 論

(1) 火燒熔痕斷口基本沒有孔洞。

(2) 在600 ℃高溫作用前后，一次短路熔痕的微觀特征相似：斷口上存在均勻細(xì)密的孔洞，孔洞壁光滑，粗糙紋跡甚少，斷口呈現(xiàn)卵形花樣；從組織形態(tài)上看，具有明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織。

(3) 二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內(nèi)表面上存在較小的孔洞，孔洞底部有平行的條形花紋，內(nèi)壁上存在小縮孔、卵石狀顆粒和灰塵；斷口呈現(xiàn)蜂窩狀花樣；從組織形態(tài)上看，具有明顯的亞結(jié)構(gòu)即胞狀晶。