隨著生活水平和工業(yè)生產(chǎn)水平的提升，引發(fā)火災(zāi)的潛在因素有很多。據(jù)統(tǒng)計，在各類火災(zāi)引起的安全事故中，電氣火災(zāi)平均發(fā)生次數(shù)占總發(fā)生次數(shù)的28.4%左右，而造成電氣火災(zāi)的主要原因是線路的短路或斷路熔斷。因此，對火災(zāi)事故發(fā)生后的導(dǎo)線熔痕進行研究是判斷火災(zāi)起因、進行責(zé)任判定、避免事故再次發(fā)生的重要手段。

     目前，GB/T 16840.4—2021《電氣火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法 第4 部分：金相分析法》中已經(jīng)將金相檢驗列入火災(zāi)痕跡物證技術(shù)鑒定方法。金相檢驗具有試樣制備簡單、可操作性強及設(shè)備成本低廉的優(yōu)勢，但該方法在火災(zāi)熔痕鑒定過程中存在誤差較大、試樣的典型形貌特征不易分辨、試樣腐蝕狀態(tài)對檢測結(jié)果影響大等缺點。因此，研究人員采取彩色金相檢驗、掃描電鏡（SEM）及能譜分析等不同研究方法對火災(zāi)熔痕進行精準(zhǔn)分析，以提高火災(zāi)事故鑒定的可靠性。

     隨著背散射電子衍射（EBSD）技術(shù)的不斷突破，尤其是采集物證相機由電荷耦合器件（CCD）技術(shù)向互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件（CMOS）技術(shù)跨越，EBSD采集速率的顯著提升使其替代金相檢驗方法成為可能。EBSD 具有對不同取向的晶粒識別率高，可以對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并精確分析晶粒分布狀態(tài)的優(yōu)勢，在火災(zāi)熔痕的誘因鑒定中可以提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。

      根據(jù)經(jīng)驗，電氣火災(zāi)中銅導(dǎo)線熔斷的機制主要包含火燒熔斷與大電流過載短路熔斷，而短路熔斷又細(xì)分為一次短路熔斷與二次短路熔斷。研究人員對火災(zāi)事故現(xiàn)場普遍存在的典型火焰熔痕、一次短路熔痕及二次短路熔痕的晶粒形態(tài)和織構(gòu)進行研究，采用EBSD技術(shù)對不同熔痕織構(gòu)進行分析，為導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的鑒定提供了一條新思路。

1、試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

     選用紫銅導(dǎo)線作為試驗材料。使用中國人民警察大學(xué)自主設(shè)計的電氣火災(zāi)故障模擬裝置對一次短路與二次短路熔痕進行判定，該裝置可以模擬火災(zāi)事故現(xiàn)場大電流短路熔斷發(fā)生的現(xiàn)實場景，裝置由電源柜、控制柜及燃燒柜組成，電源柜的輸出電壓為0~660 V（精度為1V），電壓采集頻率為1.5×10?4Hz。火災(zāi)事故現(xiàn)場具有多發(fā)性，僅對常規(guī)誘因?qū)е碌幕鹧嫒酆圻M行研究。使用酒精噴燈直接加熱銅導(dǎo)線，直至導(dǎo)線端部熔化，隨后在玻璃器皿中將導(dǎo)線冷卻至室溫。為了確保試驗的準(zhǔn)確性，每組試驗準(zhǔn)備3個平行試樣。

1.2 EBSD試樣制備與表征

      取銅導(dǎo)線熔痕，使用電阻點焊方法將銅導(dǎo)線與熔斷頭進行連接，利用亞克力粉或者環(huán)氧樹脂等材料對銅導(dǎo)線熔斷頭進行冷鑲嵌；使用金相砂紙對鑲嵌后的材料進行打磨，金相砂紙粒度依次為200，600，1500目（1目=25.4mm）；使用機械拋光機對打磨好的試樣進行拋光，采用金剛石拋光劑對試樣進行粗拋與細(xì)拋。利用電解拋光設(shè)備對機械拋光后的試樣進行電解拋光，電解拋光的主要目的是去除機械拋光后銅導(dǎo)線表面存在的機械應(yīng)力層。電解拋光的具體工藝為：①電解液配比，磷酸、無水乙醇、去離子水的體積比為1∶1∶2；②電解拋光采用直流電源，電壓為15V，溫度為15℃，時間為15s；③電解拋光完成后，使用去離子水清洗表面，并利用高壓氣槍（氣壓為0.3MPa）迅速將殘留在試樣表面的電解液吹走。電解拋光裝置如圖1所示。

     使用Nordly Max3型EBSD設(shè)備對銅導(dǎo)線進行熔痕表征。其中，加速電壓為20kV，束流為10nA左右，將試樣傾轉(zhuǎn)70°。使用牛津公司EBSD后處理軟件AztecCrystal對測試結(jié)果的晶粒取向分布和織構(gòu)信息進行分析。

2、試驗結(jié)果

2.1 火焰熔痕晶粒分布及織構(gòu)分析

     3個火焰熔痕平行試樣晶粒取向分布的二維赤道平面投影（IPF）圖如圖2a）~2c）所示。由圖2a）~2c）可知，火焰熔痕以粗大的枝晶或者等軸晶為主，晶粒取向分布呈無序狀態(tài)。圖2d）~2l）為圖2a）~2c）的極圖。由圖2d）~2l）可知，火焰熔痕的取向分布較為雜散，沒有出現(xiàn)明顯的織構(gòu)特征。

2.2 一次短路熔痕晶粒分布及織構(gòu)分析

      3個一次短路熔痕平行試樣的晶粒取向分布IPF圖如圖3a）~3c）所示。由圖3a）~3c）可知：熔痕晶粒尺寸遠(yuǎn)大于原始導(dǎo)線，說明短路過程中熱量極大，使晶粒尺寸顯著長大；同時，熔痕中晶粒生長存在明顯的方向性，在圖3b）中，所有晶粒向同一方向生長，并且一直延伸至熔痕邊緣。

     圖3a）~3c）的極圖如圖3d）~3l）所示。由圖3d）~3l）可知：1 號與2號平行試樣的xz投影面上呈現(xiàn)明顯{100}//y方向的織構(gòu)，3號試樣在yz投影面上呈現(xiàn){100}//x方向的織構(gòu)，從而更好地證實了一次短路過程中晶粒存在明顯擇優(yōu)生長的傾向。

2.3 二次短路熔痕晶粒分布及織構(gòu)分析

     3個二次短路熔痕平行試樣的晶粒取向分布IPF圖如圖4a）~4c）所示。由圖4a）~4c）可知：與一次短路熔痕相似，二次短路熔痕晶粒尺寸遠(yuǎn)大于原始導(dǎo)線，說明短路過程中熱量極大，致使晶粒尺寸顯著長大；同時，熔痕中部呈現(xiàn)部分擇優(yōu)生長的晶粒，在圖4b）中，熔痕中部幾乎所有晶粒向同一方向生長，與一次短路熔痕不同的是，柱狀晶的生長態(tài)勢并沒有延伸到熔痕邊緣，這是因為二次熔痕短路發(fā)生之前，熔痕邊緣受熱后晶粒均勻長大，短路電流的經(jīng)過并沒有完全改變?nèi)酆圻吘壍木ЯＰ蚊病?/span>

     圖4a）~4c）的極圖如圖4d）~4l）所示。由圖4d）~4l）可知：3 個二次短路熔痕平行試樣的xz投影面上呈現(xiàn)明顯的{100}//y方向織構(gòu)，同樣證實了二次短路過程中晶粒存在明顯擇優(yōu)生長的傾向。

3、綜合分析

      在火災(zāi)事故中，不管是火焰燃燒造成的導(dǎo)線熔斷，還是短路或過電流造成的導(dǎo)線熔斷，或是多種復(fù)雜因素造成的導(dǎo)線熔斷，均是在外熱作用下，導(dǎo)線材料晶粒從固態(tài)相變到熔融轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)金屬，直至最終斷裂的一個過程。故而晶粒的形態(tài)、擇優(yōu)取向以及分布狀態(tài)會隨著受熱狀態(tài)的改變而改變。

     通常，織構(gòu)是在晶體材料經(jīng)受特定方向的力、熱、光、電以及磁場等單一或者多方面誘導(dǎo)下，晶粒沿特定方向生長的過程。常見織構(gòu)類型包括絲織構(gòu)、面織構(gòu)以及板織構(gòu)等。

      火焰熔痕形成的過程可以等同理解為金屬的鑄造工藝或熔煉工藝，銅導(dǎo)線接頭在多個方向的火焰灼燒背景下，晶粒沿?zé)o序熱流方向不斷長大，當(dāng)溫度超過銅導(dǎo)線的熔點后，導(dǎo)線斷裂。因灼燒時間較長，保溫時間充足，晶粒尺寸往往遠(yuǎn)大于原始導(dǎo)線尺寸。同時，熱源方向的無序性使火焰熔痕中未出現(xiàn)明顯織構(gòu)。

     一次短路熔痕是在大電流瞬間經(jīng)過導(dǎo)線，溫度過高而導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂時產(chǎn)生的。根據(jù)焦耳定律可知，導(dǎo)線短路瞬間，電流流經(jīng)之處會釋放大量熱量，最終電流的方向性決定了熱流的方向性。晶粒生長總是沿著熱流方向優(yōu)先生長，因此在短路過程中容易出現(xiàn)熱流誘導(dǎo)的擇優(yōu)取向織構(gòu)；由于火災(zāi)事故現(xiàn)場存在較多的不確定因素，通過織構(gòu)的存在情況可以更加敏銳地捕捉到晶粒擇優(yōu)生長的可能性，從而判斷是否短路。

     同時，一次短路接頭瞬間斷裂，接頭處熱量驟降，所以熔痕邊緣絕大部分區(qū)域依然保持較好的柱狀晶形態(tài)。

     二次短路熔痕是在短路發(fā)生之前產(chǎn)生的，導(dǎo)線經(jīng)受一定程度的高溫火焰灼燒，此灼燒過程與火焰熔痕前期一致，導(dǎo)線受無序狀態(tài)的加熱后，邊緣晶粒出現(xiàn)長大的態(tài)勢。短路發(fā)生后，導(dǎo)線在大電流、高熱量作用下瞬間斷裂，此過程中晶粒生長的機制與一次短路熔痕保持一致，均出現(xiàn)擇優(yōu)取向生長的趨勢。

     與一次短路熔痕不同的是，二次短路熔痕除了存在較為明顯的織構(gòu)外，二次短路熔痕邊緣的晶粒尺寸更大，且會出現(xiàn)無序加熱狀態(tài)形成的柱狀晶區(qū)。總之，二次短路熔痕呈現(xiàn)較為明顯的織構(gòu)傾向，并且熔痕邊緣晶粒存在較大的等軸晶傾向。

4、 結(jié)論

   （1）火焰熔痕基本不存在任何方向的織構(gòu)，晶粒分布狀態(tài)主要是粗大的等軸晶。

   （2）一次短路熔痕與二次短路熔痕均存在明顯織構(gòu)，除此之外，二次短路熔痕邊緣易出現(xiàn)粗大的等軸晶或枝晶，而一次短路熔痕邊緣仍以柱狀晶分布為主。

作者：門騰騰 1，劉樹帥 2，劉海旭 1，王永明 1

單位：1. 山東省公安廳 物證鑒定研究中心；

2.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第6期