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【分享】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

  • ︶ㄣ青蟲CC
    2009/03/11
  • 私聊

金相显微镜

  • 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
    摘 要:对电气线路火灾中铜导线的一次短路与二次短路的显微组织特性进行了对比分析,利用二者之间微结构形态上的差异来分析鉴定火灾的起因,为公安消防部门侦破火灾案件提供了有利的科学证据,可使案件侦破率及破案速度大大提高。因而,将此项工作加以推广有十分重要的意义。与金相显微镜比较,用电镜进行观察分析具有放大倍数连续调节范围大,景深大,分辨率高,同时具有图象更清晰,立体感更明显的特点。



    关键词:一次短路;二次短路;熔珠;熔痕;柱状晶;等轴晶
    电镜观察分析是研究金属材料,半导体材料及一切固体材料和生物医学材料的表面形态,内部组织及其结构的一门科学。在上述学科中电镜已得到了广泛的应用。而将它的科学理论,技术方法和仪器设备应用到消防部门,用于电气火灾原因分析中,则是一种比较新的方法。


    通常,火灾现场的金属残留物很多,在什么部位取样是很重要的。取样部位的恰当与否,直接影响到检查结果的准确性。因而,必须提取带有融化痕迹的物证。由电气线路、设备故障引起的火灾,在故障点高温作用下,绝大多数的铜、铝甚至钢铁及其它合金等,都会出现熔化现象。分析这些金属或导线残留物熔痕的表面形态和其内部的组织结构,对于认定火灾起因才有意义。本文仅对电气线路火灾中铜导线的一次短路与二次短路的显微特征进行比较分析。

    1 实验部分

    1.1 导线短路痕迹的形成及其表现形式

    电气线路中的不同相或不同电位的两根或两根以上的导线不经负载直接接触称为短路。由于短路的瞬时温度可达2000℃以上,而常用的铜导线的熔点为1083℃,因此,短路强烈的电弧高温作用可使铜导线局部金属迅速熔融,气化,甚至造成金属熔滴的飞溅,从而产生了导线短路熔化的痕迹。

    导线短路形成的熔痕可分为两种:一种是发生在火灾之前的短路,称为一次短路熔痕:另一种是着火后,火灾火焰或火灾热使导线绝缘破坏而形成的短路,称之为二次短路熔痕。由于短路电流的大小及作用时间的不同,因而短路熔痕的外观状态相当复杂,常见的有以下几种:

    (1)短路熔珠;(2)尖状熔痕;(3)凹坑状熔痕;(4)喷溅熔珠。
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  • ︶ㄣ青蟲CC

    第1楼2009/03/11

    1.2 一次短路熔痕与二次短路熔痕的鉴别



    一次短路与二次短路熔痕在外观上没有明显差别,在本质上是相同的。由于二者产生的外界环境不同,因此在它们各自形成的短路熔痕中便留下了可以区别的显微特征。如图1、图2、图3a及图3b所示,分别为正常原始铜导线组织及一次短路和二次短路的铜导线显微结构图象。由图示可以看出,一次短路熔痕与二次短路熔痕在显微组织结构上的不同特征主要有以下几个方面:(1)一次短路熔痕的显微组织大都是由细小的柱状晶组成,而二次短路熔痕的显微组织都是由等轴晶组成,且被很多气孔分割出现较多粗大晶界,在多数情况下,看不到与一次短路熔痕相同的细小柱状晶结构。(2)一次短路熔痕内部气孔少而小,二次短路熔痕内部气孔多而大。(3)一次短路熔痕气孔周围的(Cu+Cu2O)共晶体较少,不明显;二次短路熔痕周围(Cu+Cu2O)共晶体较明显。(4)一次短路熔珠过度区(熔珠与导线衔接处)有较明显的界限;而二次短路熔珠过度区界限不明显。



    Fig.1 The fibred microstructure of raw Fig.2 The coulumnar crystal microstructure copper wire of the first shortcircuit of copper wire

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  • ︶ㄣ青蟲CC

    第2楼2009/03/11


    Fig. 3 The equiaxle crystal (or recrystal) microstructure of the second shortcircuit of copper wire
    (a) The bigger grain of equiaxle crystal in h igger temperiture in the sence of a fire
    (b) The smaller grain of equiaxle crystal in low er temperiture in the sence of a fire


    2 讨论



    2.1 显微组织特征



    由于一次短路熔痕结晶时的环境温度为正常气温,而二次短路熔痕结晶时的环境温度为火灾温度,所以二者在结晶时的冷却速度有较大差别,从而使结晶时的过冷度也存在着明显的差异,既一次短路熔痕比二次短路熔痕的冷却速度要大,过冷度也就大些。因此,一次短路熔痕的显微组织以柱状晶为主,而二次短路熔痕的显微组织以等轴晶为主,而且二次熔痕的晶粒也较一次短路熔痕的晶粒粗大些。



    2.2 气孔



    一次短路熔痕由于其形成的环境温度低,冷却速度快,凝固过程短,虽被截留在熔痕内的气体较多而来不及析出体外,但由于它是在燃烧产物、水蒸汽等少的环境中形成的,所以,一次短路熔痕内部的气孔是少而小。二次短路熔痕是在火灾中形成的,因火场温度高,冷却速度慢,凝固过程长,虽被析出的气体多,但由于火灾环境中存在着大量的灰尘、杂质和各种燃烧产物,以及受火灾热作用而蒸发的水蒸汽等,也将进入铜的熔液中,因此,二次短路熔痕内部的气孔总是又多又大。

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  • ︶ㄣ青蟲CC

    第3楼2009/03/11

    2.3 共晶体



    由于一次短路熔痕是在正常环境下形成的,凝固时间短及空气中的水蒸汽少,故氧气的溶解量少,且还没来得及与铜充分反应产生Cu2O时,就被析出组织之外,所以,一次短路熔痕气孔周围生成的(Cu+Cu2O)共晶体很少;而二次短路熔痕是在火灾条件下形成的,凝固时间长,再加上空气中的水蒸汽多,氧与铜的反应增加,又因气孔周围的晶体缺陷较多,氧得以沿晶深入,故生成的(Cu+Cu2O)共晶体的量也相应增多,且比一次短路熔痕更明显。



    2.4 过渡区



    一次短路熔珠在形成时,即在短路瞬间,除短路点处于高温状态下外,整个导线的温度并不高,其显微组织仍为加工时的原始状态呈方向性,所以温度过度区的界限比较明显。如果继续在火场的高温中不断加热,短路熔珠内的细小柱状晶晶粒逐渐长大,过度区随着温度的升高而再结晶变成粗大的等轴晶,但其界限依然比较清楚。而二次短路熔珠在形成之前,因火灾的高温作用,整个导线的温度比较高,因此,除短路点处于高温状态之外,在短路点附近的温度也较高,所以,过度区的界限比较模糊。如果也在火焰中不断加热,则在短路熔珠内比较粗大的柱状晶和在过渡区内比较粗大的等轴晶都将继续长大,从而使过渡区的界限和柱状晶的残痕更加狼牙交错和模糊不清。

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  • 穿越时空

    第4楼2009/03/11

    文章好详细,可惜图有点细和不太清晰.

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  • hutian02

    第5楼2009/03/11

    牛!学习了。这也能表征?

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