分享：一种铝导线火灾熔痕的彩色金相检验方法
摘 要:采用彩色金相检验方法对铝导线的火灾熔痕进行分析,选用阳极覆膜法对铝导线火灾 熔痕的显微组织进行着色。结果表明:铝导线火灾熔痕着色后的显微组织色彩鲜艳,且晶界完整清 晰;铝导线一次短路熔珠晶粒为狭长的柱状晶,晶粒细长,二次短路熔珠晶粒为粗大的等轴晶;火烧 熔痕晶粒为粗大的等轴晶,晶粒内部枝晶组织明显;一次短路熔珠的气孔形状较二次短路熔珠的气 孔形状更加规则,火烧熔痕中不存在气孔。
关键词:彩色金相检验;铝导线;短路熔珠;火灾熔痕;阳极覆膜
中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)07-0022-04
目前,金相检验在电气火灾物证鉴定中应用广 泛,但该方法仅能分析铝导线火灾熔痕组织中的枝 晶形态和气孔特征,无法显示晶粒的大小和形状。 为了观察铝导线火灾熔痕的晶粒形态,寻找鉴别铝 导线短路熔珠类型的可靠依据,在冶金行业已被成 熟应用的彩色金相检验方法基础上,笔者研究了一 种给铝导线火灾熔痕的显微组织着色的彩色金相检 验方法,对熔痕中不同位向的晶粒进行着色,观察熔 痕晶粒的形状、大小等特征,为分析铝导线火灾熔痕 的形成原因提供了新的发展方向。
1 彩色金相检验的原理及方法
1.1 彩色金相检验的原理
彩色金相检验中色彩的呈现主要依据的是薄膜 干涉现象,其原理是通过各种特殊方法在试样的表 面形成一层薄膜,薄膜的厚度与试样表面组织密切 相关。薄膜的厚度不同,产生的干涉颜色也不同,从 而可以对不同组织进行区分[1]。目前应用比较成熟 的成膜方法有热染法、化学腐蚀法等[2]。
采用彩色金相检验方法得到的显微组织形貌不 仅美观、漂亮,而且能显示更多的组织信息,如枝晶、 第二相、成分偏析等,该方法对显微组织的定性、定 量分析具有重要意义[3]。彩色金相检验在钢铁、冶 金等行业已经得到了广泛应用,其对钢铁和有色金属的组织均有较好的显示效果,能够清晰地显示出 组织中特殊的相和较难显示的细节,且显微组织形 貌的色彩鲜艳、分辨率高。
1.2 彩色金相检验的方法
采用阳极覆膜法对铝导线火灾熔痕的金相试样 进行着色,采用偏振光法作为辅助手段来观察试样 的着色效果。阳极复膜法是以金相试样为阳极,在 特定的电解液、工艺条件和外加电流的作用下,在阳 极表面形成一层氧化膜的过程。纯铝晶体结构为面 心立方,属于光学上的各向同性晶体[4]。对试样进 行阳极复膜处理,试样表面形成一层光学各向异性 的六方晶系氧化铝膜,膜的位向与试样表面晶粒取 向相对应[5]。这种薄膜对偏振光极为敏感,在显微 镜的偏光视场下,可观察到彩色衬度,不同位向的晶 粒呈现出不同的颜色。
2 试样制备与试验方法
2.1 试样制备
2.1.1 一次短路熔珠
截取不同线径截面积(2.5mm2 和4mm2)的铝 导线各两段,每段长度约为20cm,在火灾物证综合 试验台上将两根导线分别与电源的正极和负极相连 接,电 压 为 220 V,频 率 为 50 Hz,短 路 电 流 为 180A,将两根导线直接短接,得到一次短路熔珠。
2.1.2 二次短路熔珠
截取同样材料的铝导线各两段,分别与电源正 极和负极相连接,然后将两段导线连同绝缘层绞合 在一起。纯铝的熔点较低,在温度为660℃时即可 熔化,因此采用引燃木屑的方式模拟火灾环境。将 互相铰接的导线置于火焰上方,待绝缘层烧焦脱落 后,导线互相接触并发生短路,短路后继续置于火焰 中5min,得到二次短路熔珠。
2.1.3 火烧熔珠
选取同样材料的铝导线,剥去绝缘层,打开综合 试验台上的液化气灶,待火焰稳定后,利用热电偶和 数显温控仪测量火焰上方区域的温度。将导线置于 温度为(700±30)℃的区域内加热,待导线端部熔 化后,将其在室温下自然冷却,得到火烧熔痕,并收 集熔珠待用。
2.1.4 彩色金相试样
使用牙托粉和自凝牙托水将制备好的铝导线一 次短路熔珠、二次短路熔珠和火烧熔痕进行快速镶 嵌。阳极复膜法需要对试样通电,因此镶嵌时应注意将导线本体伸出镶嵌料,伸出长度约为2~3cm。 将镶嵌好的试样用金相砂纸进行粗磨和细磨,打磨 时应朝同一个方向打磨,当磨痕细小密集时即可更 换粒度更小的砂纸。每更换一次砂纸,应旋转90°, 使试样方向与旧磨痕方向垂直,然后继续打磨,直至 旧磨痕完全消失、新磨痕均匀且一致性较好[6]。将 打磨好的试样进行机械抛光,抛光剂使用氧化铝悬 浮液。纯铝的质地较软,容易发生变形或划伤,抛光 产生的颗粒物可能会被压入试样表面,因此应避免 抛光时用力过大,抛光的时间应足够长,以去除所有 嵌入的颗粒。当抛光至试样表面光亮且无划痕时, 即可进行着色操作。
2.2 试验方法
试验选用的阳极覆膜设备为电解抛光仪,搭配 不锈钢蚀刻锅,电解抛光仪用于调节阳极覆膜的电 压;不锈钢蚀刻锅用于盛放电解液,并进行覆膜 操作。
电解液的配制方法为:将20mL的40%(体积 分数)氟硼酸水溶液倒入烧杯中,加蒸馏水稀释至 1000mL,将溶液倒入蚀刻锅内;将抛光好的试样 用钳子夹住,将其与电源阳极连接,并置于蚀刻锅 中,试样的抛光面朝下,使抛光面刚好浸入液面,但 应注意钳子不要碰到液面,否则电流会从钳子导入 电解液中;复膜电压为20V,复膜时间为1~2min, 在复膜过程中手持钳子,并轻轻晃动,以避免气泡在 试样表面富集;复膜完成后,用乙醇漂洗试样表面, 并吹干试样。
使用倒置式光学显微镜观察试样,并将起偏镜 与检偏镜调至正交状态。
3 试验结果
3.1 短路熔珠
图1~2为线径截面积为2.5mm2 铝导线一次 短路熔珠与二次短路熔珠的彩色显微组织形貌。由 图1~2可知:一次短路熔珠的晶粒主要为柱状晶, 晶粒细长,且具有明显的方向性,等轴晶较少,晶粒 内部的枝晶组织不明显,组织中含有一定数量的气 孔,气孔形状较规则;二次短路熔珠的晶粒为粗大的 等轴晶,晶粒没有明显的方向性,晶粒内部的枝晶组 织不明显,组织中含有一定数量的气孔,二次短路 熔珠气孔形状较一次短路熔珠气孔形状的规则 性差。
图3~4为线径截面积为4mm2 铝导线一次短路熔珠与二次短路熔珠的彩色显微组织形貌。由图 3~4可知:一次短路熔珠的晶粒为细长的柱状晶, 晶粒内部无明显的枝晶组织,气孔较多,且气孔体积 较小;二次短路熔珠的晶粒为等轴晶,晶粒内部可以 观察到明显的枝晶组织,二次短路熔珠气孔形状较 一次短路熔珠气孔形状的规则性较差。
3.2 火烧熔痕
图5为线径截面积为2.5mm2 和4mm2 铝导 线火烧熔痕的彩色显微组织形貌。由图5可知:线 径截面积为2.5mm2和4mm2铝导线火烧熔痕的晶粒为等轴晶,熔痕内部未见气孔,晶粒内部存在枝 晶组织,其中线径截面积为4mm2 铝导线的火烧熔 痕中的枝晶组织更加明显。
4 综合分析
铝导线本体的晶粒细小、密集,发生短路时,铝 导线受到瞬时高温作用而发生熔融,并迅速凝固。 金属的凝固可分为形核和长大两个过程,形核与长 大互相交替进行,直至液态金属完全被消耗。在一 定的过冷条件下,金属内部会发生形核过程。晶核 长大有平面长大和树枝状长大两种方式,金属结晶 时,晶核主要以树枝状的方式长大。晶粒的形状和 尺寸受冷却速率的影响较大,外界环境温度越高,熔 融金属与周围环境的温差越小,形成的晶粒方向性 越小,组织越趋向于等轴晶。
一次短路与二次短路发生时的环境温度不同, 二者的晶粒再结晶过程有明显的差异。一次短路熔 珠形成时的环境温度较低,过冷度较大,冷却速率较 快,晶粒为狭长的柱状晶,且方向性明显。二次短路 熔珠晶粒为粗大的等轴晶,无方向性。一次短路熔 珠与二次短路熔珠均有明显的过渡区。火烧熔痕形 成时,环境温度较高,冷却速率较慢,晶粒以树枝状 方式长大,形成了等轴晶,晶内枝晶组织比较明显。 导线整体为均匀受热,因此不存在过渡区[7]。
5 结论
探索了铝导线火灾熔痕的彩色金相检验方法,并对得到的彩色显微组织形貌进行分析,发现一次 短路熔珠晶粒为细长的柱状晶,有一定的方向性,晶 粒内部枝晶组织不明显;二次短路熔珠晶粒为粗大 的等轴晶,线径截面积为4mm2 铝导线二次短路熔 珠晶粒内部可以观察到枝晶组织。火烧熔痕晶粒为 粗大的等轴晶,晶粒内部枝晶组织明显。一次短路 熔珠的气孔形状较二次短路熔珠的气孔形状更加规 则,火烧熔痕中不存在气孔。
参考文献:
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