铜导线一次短路喷溅熔珠形貌分析及氧化物识别技术研究

王　元

（中国人民武装警察部队学院研究生三队，河北　廊坊）

摘要：近些年来，我国电气火灾事故频发，已成为目前公安消防安全的主要危害。而导致电气火灾的最主要原因之一就是电气线路短路故障。因此，模拟实际火灾环境制备了不同线径铜导线的一次短路喷溅熔珠，对其组织进行了金相分析，得出喷溅熔珠存在的多种形貌。同时，观察研究了喷溅熔珠中氧化物的存在状态，即通过分析组织类型、共晶体含量的差异，得出相关结论，为电气火灾物证鉴定提供参考。

关键词：一次短路；喷溅熔珠；偏振光；氧化物

1　引言

当今社会，电能的使用日益增多，已然成为生产生活的重要能源。由于多种因素的影响，重大电气火灾事故时有发生。目前，在火灾原因和火灾直接经济损失方面，我国电气火灾都排在各类火灾统计数目的首位。据公安消防部门统计，2008～2012这五年间，全国发生火灾起数共为67.5万，在查明原因的约62.3万起火灾中，电气火灾就有20.8万起，占总数的33.37%。

近年来，我国对铜导线短路熔痕的研究已日趋完善，从电流、温度以及冷却环境等不同角度研究了对铜导线短路熔痕的影响。而对喷溅熔珠的研究并不深入，只是作为短路熔痕的一个很小的部分列举描述，且在以往的实验研究中发现，短路的喷溅熔珠具有多种形貌，因此，有必要对各种不同大小的喷溅熔珠所呈现的形貌进行统计分析，以提高物证鉴定的准确性。因此，在同一电流条件下，对不同线径的铜导线进行一次短路喷溅熔珠模拟实验，得到相应的金相图谱以便对比研究。

2　实验设计

2.1　试验装置

仪器设备：XTL-340E体视显微镜；P-2金相试样抛光机；4XCZ型金相显微镜；Canon Power Shot A630数码照相机；火灾痕迹物证综合实验台。

2.2　实验耗材

（1）铜导线。采用1.5mm2、2.0mm2、2.5mm2线径的单股聚氯乙烯绝缘铜芯线。

（2）浸蚀剂。选用电气火灾物证技术鉴定金相法中常用的浸蚀剂：氯化铁盐酸水溶液（10g氯化铁、100mL盐酸、200mL水）。

（3）其他耗材。自凝牙托粉；自凝牙托水；抛光粉；无水乙醇；蒸馏水；400#、600#、800#、1200#金相砂纸。

2.3　一次短路喷溅熔珠的制备

在火灾痕迹物证综合实验台上，模拟实际火灾中一次短路的发生条件，将总长约20cm的铜导线两头均去掉2cm长绝缘皮，制备多根。把一根铜导线固定在火灾痕迹物证综合实验台上，电焊机一端夹住已去掉绝缘皮的铜导线的裸线部分，用固定在电焊把上的导线的线芯点触实验台上固定的导线，形成短路熔痕。电压为220V，频率50Hz，调节电焊机电流至160A挡，接通电源，两根导线接触后，即发生短路，产生电弧，几千度的高温电弧使导线熔融飞溅，冷却后形成一次短路喷溅熔珠。重复多次，每个线径各制备20个熔珠作为待测样品，见表1。

3　实验结果

3.1　铜导线一次短路喷溅熔珠金相组织形貌分析

3.1.1　1.5mm2线径铜导线一次短路喷溅熔珠金相组织

线径为1.5mm2的铜导线一次短路喷溅熔珠中直径为2～3mm的有10个，数目最多，占全部的50%。熔珠具有金属光泽，将所得熔珠制样，经磨光、抛光、腐蚀后在金相显微镜下观察，不同粒径大小的熔珠各选出一张，其金相组织如图1～图4所示。

由图1～图4可见，部分喷溅熔珠金相组织以细小紧密的柱状晶为主，排列较为规则整齐，晶界清晰，内部气孔小而少，呈规则的圆形；部分则呈现粗大的柱状晶，有小点状氧化物夹杂；部分呈非常规形态，α相在气孔附近聚集，在边界上组织明显。

3.1.2　2.0mm2线径铜导线一次短路喷溅熔珠金相组织

线径为2.0mm2的铜导线一次短路喷溅熔珠中同样是直径为2～3mm的数目最多，而直径在3mm以上的相比于线径为1.5mm2的铜导线一次短路喷溅熔珠有所增多。熔珠具有金属光泽，其金相组织如下图所示。

由图5～图8可见，2.0mm2线径铜导线一次短路喷溅熔珠的金相组织多呈细小紧密的树枝晶，晶界明显，多数中间处有规则的圆形小气孔存在，部分存在缩孔。总的来看，20个熔珠中，13呈现细小的树枝晶，4个为非常规形貌，3个呈粗大的柱状晶，多数可见明显组织。氧化物夹杂较少，部分呈颗粒状分布于晶界间。

3.1.3　2.5mm2线径铜导线一次短路喷溅熔珠金相组织

线径为2.5mm2的铜导线一次短路喷溅熔珠中各粒径类别数量分布较为均匀。熔珠具有金属光泽，其金相组织如图9～图12所示。

2.5mm2线径的铜导线喷溅熔珠中呈粗大柱状晶的较多，占50%左右，晶界清晰，有小点状氧化物夹杂；部分呈胞状晶，中间有较小的圆形气孔存在，少数存在缩孔。直径较小的熔珠组织多数呈非常规形态，存在大量共晶体聚集在边界上。

3.2　氧对导线熔痕金相组织的影响

氧在铜中的存在相当普遍，100℃时氧与铜能在表面生成黑色的氧化铜薄膜，随温度升高，氧化速度加快，能在表面生成红色的Cu2O。液态下氧在铜中的溶解度很小，大部分与铜生成Cu2O并溶解于铜液，凝固时氧化亚铜与铜组成晶粒状共晶分布于晶界。

纯铜基本相组成为a单相组织。含氧后出现Cu2O颗粒，未经侵蚀的Cu2O在显微镜下观察时呈天蓝色，含量较多时沿晶界形成共晶网络，随着氧含量的升高，依次出现Cu2O的亚共晶体、共晶体与过共晶体。随着温度的不断上升，小晶粒逐渐聚集且长大，实际上是部分长大，部分缩小至最后消失的过程。

4　偏光下一次短路喷溅熔珠中氧化物的识别

4.1　偏振光原理

光波根据振动的特点，可分为自然光与偏光。自然光经过反射、折射、双折射及吸收等作用，可以成为只在一个方向上振动的光波，这种光波则称为“偏光”或“偏振光”。光的偏振现象的观察和研究是从1669年发现冰洲石晶体CaCO3的双折射现象开始的。此后，多应用于矿石研究。偏振光在金相研究方面的应用主要包含两个方面：一是金相组织的研究，即晶粒及组织的显示；二是金属内夹杂物的研究，鉴别合金中的各相，即通过对物体透明度、色彩、各向同性的鉴别来定量研究。

偏光装置最重要的部件是起偏器和检偏器。起偏镜装置在光源与被检物体之间，检偏镜位于物镜与目镜之间，其手柄上有旋转角的刻度。从光源射出的光线通过两个偏振镜时，若二者振动方向互相平行，视场最为明亮。反之，若处于“正交校偏位”下，则视场完全黑暗。

4.2　偏振光下对氧化物的观察

氧在铜中的存在相当普遍，100℃时氧与铜能在表面生成黑色的氧化铜薄膜，随温度升高，氧化速度加快，能在表面生成红色的Cu2O。液态下氧在铜中的溶解度很小，大部分与铜生成Cu2O并溶解于铜液，凝固时氧化亚铜与铜组成晶粒状共晶分布于晶界。见图13。

纯铜基本相组成为α单相组织。含氧后出现Cu2O颗粒，未经侵蚀的Cu2O在显微镜偏光下观察时呈红宝石色，利用Zeiss的AxioObserverA1型倒置金相显微镜对氧化物进行观察，将显微镜调至偏光状态，光源调到最大，能够观察到Cu2O在偏光下呈暗红色小点状夹杂在组织中。

总的来看，一次短路喷溅熔珠中边缘Cu2O含量较多，气孔周围生成的（Cu+Cu2O）共晶体较多。粒径较大的喷溅熔珠，氧化物在熔珠边缘分布较多，内部夹杂含量较少，说明表层反应充分。进一步，通过二相提取，能够生成“二相含量比例”报告，计算出相面积和相比例。

4.3　图像处理及氧化物的测量

使用蔡司原版分析软件AxioVion4.8中的夹杂物分析模块及相面积含量等专用测量模块，进行图像处理、图像分析等操作。

（1）二值提取。将偏光照片在窗口打开，点击“二值操作”，选择“物相提取”，选取点击照片中宝石红色的小点状氧化物三次后，系统会自动对同一灰度值的点进行筛选，随后进行“对象处理”，比照“缩略图”中的原图删除非氧化物的区域，以便精确筛选氧化物颗粒，得到偏光照片进行二值提取后的效果。如图14所示，物相提取操作对氧化物的定量分析至关重要，要求在筛选时十分精确，二相面积测量的数据才具有可靠性。

（2）二相面积比例的测量。在二值提取的基础上，使用系统自带分析软件进行“二相面积比例”的测量，可得该视场内氧化物所占百分比，输出“二相含量比例”报告，如图15所示。

5　结论

通过上述一次短路喷溅熔珠金相组织的观察及夹杂氧化物的偏光识别，初步归纳为以下几点。

（1）一次短路喷溅熔珠金相组织特征：金相组织形貌较多，多数呈细小的树枝晶，存在部分粗大的柱状晶、胞状晶，晶界细小清晰。

（2）一次短路喷溅熔珠金相组织主要由胞、枝状的Cu和立方晶系的Cu2O组成。偏光下观察，部分一次短路喷溅熔珠金相组织含有Cu2O初晶的析出，多数氧化物呈（Cu+Cu2O）共晶体形式存在。

（3）一次短路喷溅熔珠金相组织孔洞和过渡区特征：熔珠金相抛光面大部分孔洞规则，呈圆形，在熔珠边缘或过渡区线上分布较多。

实验中并非每个试样都符合以上组织形貌、共晶体含量、孔洞尺寸变化的规律，这与实验过程中条件的控制、试样磨光、抛光效果以及照相技术等因素都不无关联。在实验中发现，模拟实验的环境对孔洞的产生影响较大，而导线触碰的位置会影响短路反应的时间，对实验结果也有较大的影响。本文采用的偏振光不仅可以识别氧化物，且在正交状态下能观察到其固有色彩，以便定量分析，十分具有研究价值。

参考文献

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