铝导线火烧熔痕金相组织研究

刘国泽

（武警学院研究生部，河北　廊坊）

摘要：模拟铝导线火烧熔痕形成条件，分析观察不同生产规格与形成环境的铝导线火烧熔痕样品的金相组织特征，从晶粒和气孔两个方面，研究生产规格中导线线径和形成环境中二次熔化的条件对于火烧熔痕金相组织形成的影响。结果发现，不同规格的铝导线火烧熔痕在晶粒形状和大小方面存在明显差异，火烧熔痕在强火中二次加热熔化的金相组织易出现孔洞和柱状晶、胞状晶，使得其金相组织特征与铝导线一次短路熔痕金相组织特征相近，在鉴定此类火灾痕迹物证过程中，需要考虑线径及火场中二次熔化的影响。

关键词：火灾调查；铝导线；火烧熔痕；金相组织

1　引言

电气火灾鉴定方法中研究较多的是铜导线熔痕，而对于熔点较低，在火场中不易保留的铝导线熔痕的研究较少[1]。在我国仍有部分农村的电气线路使用铝导线，其引发的火灾时有发生，火灾调查人员在火灾现场也会发现并提取铝导线熔化痕迹，将其作为认定起火原因的关键依据之一。同时，现行的金相法鉴定标准中对于铝导线火烧熔痕没有进行规定，而且火场中复杂的环境条件使得形成的火烧熔痕金相组织不尽相同[2]。因此，明确不同导线线径和形成时二次熔化对火烧熔痕金相组织的影响规律，对于准确判定熔痕与火灾的关系具有重要意义。

笔者选取3种不同线径的铝导线作为实验材料，研究形成时二次熔化对火烧熔痕金相组织影响，为更加准确认定火场中铝导线火烧熔痕提供理论支持。

2　实验部分

2.1　实验材料

选取2.5mm2、4mm2、6mm2 3种不同规格的铝导线，分别编号为A、B、C；自凝牙托粉；自凝牙托水；金相砂纸（400#、600#、800#、1000#、1200#）；氧化铝金相试样抛光粉；氢氟酸水溶液；无水乙醇；铁钳；小坩埚。

2.2　仪器设备

p-2金相试样抛光机；4XCZ型金相显微镜；Canon PowerShot A630 数码照相机；酒精喷灯；点温计。

2.3　样品制备

（1）截取长约7cm编号分别为A、B、C的铝导线（各12段），带绝缘皮，另一端用钳子夹住置于酒精喷灯上火烧。使用点温计，移动高度使熔痕点温度控制在900～1000℃，直接加热5min，随后置于空气中冷却至室温，编号保存。

（2）取C导线先置于酒精喷灯上加热，至熔融，然后置于空气中冷却至室温，在将其放入喷灯中加热至其将要熔融状态拿出，置于空气中冷却，制备火烧熔痕，编号保存。

3　实验结果

3.1　不同线径铝导线火烧熔痕金相组织

不同线径铝导线火烧熔痕金相组织，如图1所示。2.5mm2线径（带绝缘皮）加热5min形成的金相组织，呈现细长的柱状晶，也存在一些晶粒沿某一方向拉伸生长成细长的柱状晶，从熔痕边缘至熔痕中心，柱状晶的面积增大，过渡区明显，具有方向性。4mm2线径（带绝缘皮）加热5min形成的金相组织，呈现胞状晶，有明显的呈放射状粗大的胞状晶，在其周围有细小的等轴晶，且晶界清晰；100倍的放大倍数下的金相组织，为粗大的胞状晶，有少数等轴晶存在，晶界清晰较粗，但胞状晶和等轴晶的过渡区不明显。6mm2线径（带绝缘皮）加热5min形成的金相组织，呈现细长的柱状晶，晶界从边缘至中心逐渐变细，变得模糊，柱状晶的晶粒从粗大变为细小，细小的柱状晶和粗大的柱状晶之间的晶界明显，具有方向性，有孔洞，可见一些晶粒在某一界面延伸生长成柱状晶。

3.2　铝导线二次熔化火烧熔痕金相组织

铝导线二次熔化火烧熔痕金相组织，如图2所示。图2（a）～图2（d）为火烧熔痕在酒精喷灯中二次加热形成的金相组织，图2（a）呈现细小的柱状晶和粗大的等轴晶，柱状晶和等轴晶的过渡区明显，晶界较粗，等轴晶的晶粒明显大于柱状晶的晶粒；图2（b）呈现大小均匀的柱状晶和胞状晶，胞状晶多呈放射状，胞状晶和柱状晶交错在一起，晶粒之间排布比较紧密；图2（c）和图2（d）为未熔区域，呈现胞状晶和柱状晶交错的金相组织，晶界不清晰，有大孔洞。

4　分析与讨论

4.1　线径对铝导线火烧熔痕金相组织特征的影响

本实验分别对比相同条件下3种不同线径铝导线形成的火烧熔痕的金相组织，发现2.5mm2线径铝导线火烧熔痕的金相组织呈现细小的柱状晶，晶粒小；4mm2线径铝导线火烧熔痕的金相组织呈现细小的柱状晶和胞状晶，过渡区明显晶界变得清晰；6mm2线径铝导线火烧熔痕的金相组织呈现细小的胞状晶和等轴晶，等轴晶和胞状晶的过渡区明显，等轴晶的晶粒大小趋向均匀。

相同条件下，线径越小的铝导线火烧熔痕金相组织越趋向于细小的柱状晶，而线径越大的火烧熔痕金相组织越趋向于粗大的等轴晶和胞状晶。因为线径越大越易产生体积较大的火烧熔痕，体积越大，熔痕内部温度差趋于均匀化的区域则越大[3]。熔痕内部温度差趋于均匀化的区域内过冷度很小，散热方向不明显，晶核向各个方向同时长大，趋向于形成一个粗大的等轴晶区，使得熔痕金相组织主要为等轴晶。而体积越小的熔痕，熔痕内部各部位的传热速度都很快、过冷度也很大，各部位的过冷度几乎是相同的，熔珠内部各部位结晶时都沿传热最快方向的反方向长大，所以易产生细小柱状晶。

4.2　二次熔化对铝导线火烧熔痕金相组织特征的影响

铝导线二次熔化后金相组织与一般条件下加热相比，发生明显变化。二次熔化金相组织为细小的柱状晶和粗大的胞状晶，有一定数量的孔洞，柱状晶和胞状晶的过渡区明显，但晶界模糊，使得火烧熔痕的金相组织与导线一次短路熔痕金相组织特征相似[4]。形成这种差异的原因可能是由于熔痕自身温度与室温相差较大，结晶时过冷度大，依据铸态组织的形成原理，过冷度大的熔珠结晶时传热方向明确，结晶过程优先长大方向与散热最快方向的反方向一致，易产生细小柱状晶[5]。铝导线在第一次熔化后的冷却时间短，继续加热升温，过冷度增加，产生细小的柱状晶。随着冷却过程的继续，过冷度逐渐减小，传热则逐渐失去方向性，结晶过程慢慢地从优先长大方向与散热最快方向的反方向一致转变成向各个方向同时长大，但由于时间过短，因此最后形成粗大的胞状晶。

气孔方面，二次熔化易产生气孔，大多为有规则的圆形，且都分布在熔痕中心处，被粗大的等轴晶所包围。形成这种差异的原因可能是因为液态金属冷却速度快，完全冷却所需要的时间短，留给熔痕晶粒长大的时间也短，晶粒类型主要是细小的胞状晶和纤细的柱状晶[6]。二次熔化时，为了避免覆盖第一次加热时产生的金相组织，仅仅加热其有熔化痕迹立即停止加热，即受热发生不完全熔化时，液态铝包裹住了这些来不及逸出的气体，从而形成了大而多的气孔[7]。

5　结论

本文研究不同线径及二次加热熔化的铝导线火烧熔痕金相组织，通过观察，得出以下结论。

（1）铝导线火烧熔痕的金相组织多呈现粗大的等轴晶，但有部分熔痕金相组织出现柱状晶和胞状晶，并有孔洞存在[8]。

（2）相同条件下，铝导线线径越小，其火烧熔痕金相组织更趋向于细小的柱状晶，而线径越大的铝导线火烧熔痕金相组织趋向于粗大的等轴晶和胞状晶。

（3）二次熔化的金相组织明显不同于一般加热方式的金相组织，其组织呈现细小的柱状晶和胞状晶，未熔区为粗大的等轴晶，有一定数量的孔洞出现，等轴晶和柱状晶的过渡区明显，使得火烧熔痕的金相组织类似于导线一次短路熔痕的金相组织特征。

参考文献

[1] 赵长征. 电气火灾原因认定和痕迹鉴定[J]. 消防技术与产品信息，2003（12）：3-5.

[2] 胡建国. 火灾物证技术鉴定[M]. 北京：中国人民公安大学出版社，2007：216-243.

[3] GB 16840—1997[S].

[4] Vytenis Babrauskas. Fires due to Electric Arcing：Can Cause beads be distinguished from Victim beads by physical or chemical testing[J]. Fire Science and Technology，2002（10）：122-124.

[5] 张金专，罗亮，文玉秀，等. 消防射水对导线火烧熔痕金相组织的影响[J]. 火灾科学，2007：16（2）.

[6] 邸曼，张明. 火灾中铝导线熔化痕迹的鉴别分析[J]. 中国学术期刊，1994.

[7] 胡建国，田罡，李阳. 火场中新型铜包铝导线熔痕的金相鉴别研究[J]. 消防科学与技术，2014，33（11）：1347-1350.

[8] 方志勇. 电气线路火灾原因及物证鉴定技术综述[J]. 中国科技信息，2011.