陳 克1,張 斌1,鄧松華1,徐龍飛1,2,趙曉陽1,2

(1.應急管理部天津消防研究所,天津 300381;2.國家消防工程技術研究中心,天津 300381)

    摘 要:采用火災模擬試驗制備了 H62黃銅導體一次短路熔痕和二次短路熔痕,研究了不同熔痕的凝固組織。結(jié)果表明:一次短路熔痕具有明顯的過渡區(qū)特征,熔珠狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相,呈枝晶形貌,鋅元素質(zhì)量分數(shù)低于32.5%,而凹痕狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相+β相,α相沿β相晶界呈針狀向β相晶內(nèi)析出,且α相的針狀晶未貫穿β相晶界,鋅元素質(zhì)量分數(shù)高于32.5%。二次短路熔痕呈熔珠狀,具有明顯的過渡區(qū)特征,室溫凝固組織為α相+β相,α相呈羽毛狀,且其排列具有方向性,鋅元素質(zhì)量分數(shù)高于32.5%。

    關鍵詞:H62黃銅導體;短路熔痕;凝固組織;鋅元素

    中圖分類號:X932 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2020)07-0042-04

SolidificationStructureofShortCircuitMeltedMarkofH62BrassConductor

CHENKe

1,ZHANGBin

1,DENGSonghua

1,XULongfei

1,2,ZHAOXiaoyang

1,2

(1.TianjinFireResearchInstitute,DepartmentofMEM,Tianjin300381,China;

2.NationalCenterforFireEngineeringTechnology,Tianjin300381,China)

    Abstract:Theprimaryshortcircuitmelted markandsecondaryshortcircuitmelted markofH62brassconductorwerepreparedbyfiresimulationtests,andthesolidificationstructureofdifferentmelted markswas

studied.Theresultsshowthattheprimaryshortcircuitmeltedmarkhadobviouscharacteristicsoftransitionzone.

Thesolidificationstructureatroomtemperatureofbead-shapedprimaryshortcircuitmeltedmarkwasαphasewithdendriticmorphology,andthemassfractionofZnelementwaslowerthan32.5%.Thesolidificationstructureatroomtemperatureofdimpledprimaryshortcircuitmeltedmarkwasα+βphases;theαphasewasprecipitatedintoβphasegrainsinacicularshapealongthegrainboundariesofβphase,andtheacicularcrystalofαphasedidnotpenetratethegrainboundariesoftheβphase;themassfractionofZnelementwashigherthan32.5%.Thesecondaryshortcircuitmeltedmarkhadabeadshapewithobviouscharacteristicsoftransitionzone;thesolidifiedstructureatroomtemperaturewasα+βphases,andtheαphasewasfeatherlikeandarrangedwithdirection;themassfractionofZnelementwashigherthan32.5%.

    Keywords:H62brassconductor;shortcircuitmeltedmark;solidificationstructure;Znelement

    黃銅導體作為導電金屬構件廣泛應用于電氣電子設備,在 使 用 過 程 中 若 發(fā) 生 短 路 故 障 會 引 發(fā) 火災[1-5],同時會在故障點形成一次短路熔痕。當發(fā)生災時,帶電的黃銅導體在起火后也會發(fā)生短路,并形成二次短路熔痕。因此,準確鑒定黃銅導體短路熔痕有助于火災調(diào)查人員認定引火源和起火原因。

    目前,有關兩種短路熔痕的特征,包括顯微組織、化學成分分布、微觀形貌及物相組成等研究主要集中在純銅導線方面[6-11],鮮見有關黃銅等二元合金短路熔痕特征方面的報道。二元合金受溶質(zhì)含量及分布等因素的影響,其凝固過程及凝固組織更為復雜多變,與純金屬凝固時的截然不同[12-13]。因此,作者通過火災模擬試驗,制備了 H62黃銅導體一次短路熔痕和二次短路熔痕,研究了兩種短路熔痕的凝固組織特征,探討了短路熔痕的凝固機制,并在此基礎上提出了火災現(xiàn)場黃銅導體短路熔痕的定性判據(jù),為火災物證鑒定工作提供試驗依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗 材 料 為 H62 黃 銅 片,尺 寸 為 10 mm×7mm×3mm。采用 NORANSYSTEM6型 X 射線能譜儀測定其化學成分。由表1可知,試驗合金的化學成分符合 GB/T5232-2001對 H62黃銅的成分要求。

    在室溫環(huán)境條件下搭建如圖1所示的黃銅導體一次短路熔痕模擬試驗裝置,制備一次短路熔痕。將2片黃銅導體分別連接至兩路短路線路,2片黃銅導體間保持一定間距。閉合短路保護器開關,將黃銅導體相互接觸使發(fā)生短路故障,最后斷開短路保護器開關,得到短路點處的黃銅導體一次短路熔痕。

    應用黃銅導體短路故障模擬試驗裝置和燃燒試驗爐,搭建如圖2所示的黃銅導體二次短路熔痕模擬試驗裝置,制備二次短路熔痕。將尺寸為25mm×25mm×280mm 的松木條放置于燃燒試驗爐內(nèi)底部,堆放成4根×4根的木垛火源,并將連接黃銅

導體的短路線路布置在爐內(nèi)頂部。點燃爐內(nèi)的木垛火源,至爐內(nèi)火焰穩(wěn)定燃燒后,閉合短路保護器開關,將黃銅導體相互接觸使發(fā)生短路故障,斷開短路保護器開關,撲滅爐內(nèi)火焰,得到短路點處的黃銅導體二次短路熔痕。采用 FeCl3 鹽酸酒精溶液[14]對短路熔痕進行浸蝕處理,在 KYKY-EM3200 型 掃 描 電 鏡 (SEM)上觀察短路熔痕的截面微觀形貌。截取短路熔痕的熔化區(qū)域冷鑲嵌為金相試樣,研磨至最大截面后拋光、腐蝕[14],采用 OLMPUSGX71型光學顯微鏡觀察短路熔痕的截面顯微組織。采用 NORANSYSTEM6型 X射線能譜儀(EDS)對短路熔痕熔化區(qū)域的化學成分進行分析。

圖2 黃銅導體二次短路熔痕模擬試驗裝置示意

Fig.2 Simulationexperimentdevicediagramofsecondaryshort

circuitmeltedmarkofbrassconductor

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

    由圖3可知:黃銅導體發(fā)生一次短路故障后,短路點處的基體發(fā)生局部熔化,快速凝固后堆積在未短路的基體上形成一次短路熔痕,呈熔珠狀或凹痕狀,熔痕與未熔化的基體間存在明顯的過渡區(qū)[14]熔珠狀一次短路熔痕凝固組織呈枝晶形貌,而凹痕狀一次短路熔痕呈針狀晶形貌。黃銅導體發(fā)生二次短路故障后,短路點處的基體發(fā)生局部熔化,快速凝固后堆積在未短路的基體上形成二次短路熔痕,呈熔珠狀,熔痕與未熔化的基體間存在過渡區(qū);二次短路熔痕凝固組織呈羽毛狀形貌。

2.2 顯微組織

    由圖4可知:黃銅導體一次短路熔痕和二次短路熔痕的過渡區(qū)特征明顯;熔珠狀一次短路熔痕凝固組織為α相,呈枝晶狀形貌;凹痕狀一次短路熔痕凝固組織為α相+β相,α相沿β相晶界呈針狀向β相晶內(nèi)析出,且針狀晶未貫穿β相晶界;二次短路熔

痕凝固組織為α相+β相,α相呈羽毛狀形貌,其排列具有方向性。

2.3 微區(qū)化學成分

    由圖5可知,黃銅導體一次短路熔痕和二次短路熔痕的主要成分均為銅和鋅元素。EDS分析結(jié)果顯示熔珠狀、凹痕狀一次短路熔痕中鋅元素質(zhì)量分數(shù)分別為32.28%,36.26%,二次短路熔痕中鋅元素質(zhì)量分數(shù)為36.04%,均低于黃銅基體中鋅元素

的含量。由此可知,黃銅導體短路會造成鋅元素的損失。

2.4 分析與討論

    鋅元素在常壓下的沸點為906 ℃,而導體短路時短路點的溫度超過1000 ℃[15]。因此,H62黃銅導體發(fā)生短路時,部分鋅元素蒸發(fā),導致熔痕中的鋅元素含量降低。鋅元素含量的變化使熔痕具有不同形態(tài)的顯微組織。由 Cu-Zn合金相圖[16]可知,當鋅元素質(zhì)量分數(shù)低于32.5%時,黃銅熔體發(fā)生單相合金凝固過程。一次短路故障通常在室溫條件下發(fā)生,熔體凝固的過冷度大,凝固速率快,故其凝固組織為尺寸細小的枝晶,且具備鮮明的晶體學方向特征[12,17]。當鋅元素質(zhì)量分數(shù)超過32.5%時,黃銅熔體發(fā)生包晶合金凝固過程。在較高凝固速率下,α相+液相→β相的轉(zhuǎn)變有限,凝固時連續(xù)析出的 α相來不及向β相晶粒內(nèi)生長,因此室溫時的凝固組織呈針狀晶形貌。H62黃銅導體二次短路時的熔體發(fā)生包晶合金凝固過程,其凝固速率低于一次短路時熔體的,在α相+液相→β相轉(zhuǎn)變時,連續(xù)析出的α相增多并有序地向β相晶粒內(nèi)生長及長大,因此室溫時的凝固組織呈羽毛狀形貌。火災物證鑒定的主要工作是鑒定火場中 H62黃銅熔痕的熔化性質(zhì),為認定起火部位和起火原因提供證據(jù)支持。由上述試驗結(jié)果可知,H62黃銅導體短路熔痕凝固時因鋅元素含量的不同而存在兩種凝固機制,室溫時顯微組織特征因凝固機制不同而存在差異,這為火災現(xiàn)場 H62黃銅導體短路熔痕的鑒定提供了新的理論依據(jù)。物證鑒定人員可依據(jù)短路熔痕的顯微組織、元素含量等信息,分析短路熔痕形成時的環(huán)境條件和凝固過程,從而更準確地判定熔

痕的熔化性質(zhì),并提高火災物證鑒定的準確性。

3 結(jié) 論

    (1)H62黃銅導體一次短路熔痕具有明顯的過渡區(qū)特征。熔珠狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相,呈枝晶形貌,鋅元素質(zhì)量分數(shù)低于32.5%;而凹痕狀一次短路熔痕室溫凝固組織為α相+β相,α相沿β相晶界呈針狀向β相晶內(nèi)析出,且α相針狀晶未貫穿β相晶界,熔痕中鋅元素質(zhì)量分數(shù)高于32.5%。

     (2)H62黃銅導體二次短路熔痕的室溫凝固組 織為α相+β相,α相呈羽毛狀,排列具有方向性,鋅 元素質(zhì)量分數(shù)高于32.5%。 (3)H62黃銅導體一次短路熔痕與二次短路熔 痕凝固組織特征的差異,可為火災物證鑒定工作提 供依據(jù)。 

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2020年 > 7期 > pp.42)