热环境影响下的黄铜插片短路熔痕与火烧熔痕的金相组织对比研究
覃诗舟
（中国人民武装警察部队学院研究生四队，河北 廊坊）
摘要：相对于纯铜材料，黄铜由于Zn的加入，在火灾现场中更易熔化，易发现和提取，因此对于黄铜熔化痕迹准确鉴定是认定起火原因的重要证据。本论文模拟火灾现场痕迹形成条件，分别制备黄铜插片火烧熔痕、一次短路熔痕、二次短路熔痕，并将短路熔痕分别加热至400℃、600℃、800℃，研究短路熔痕受到火灾高温热作用后，组织的变化，以便更加准确的区分黄铜插片的短路熔痕和火烧熔痕。研究结果表明：一次短路熔痕金相组织在热环境的作用下，温度越高，晶粒越大，晶界越明显，晶粒生长的方向性越模糊，气孔数量变多，直径变大；二次短路熔痕经受温度越高，晶粒越大，晶界越明显，基体中的树枝状晶、柱状晶，晶粒也逐渐增大，气孔数量增多，直径变大；火烧熔痕随着温度的升高，晶粒变大，晶界明显变粗，金相组织出现以胞状晶、柱状晶为主的晶粒，被粗大的等轴晶所包围的现象，气孔极少，但是出现的气孔会随温度的升高而增大。
关键词：黄铜插片；热环境；短路熔痕
1 引言
近年来，黄铜插片作为一种应用普遍的新型电气线路元件在火灾事故中频繁作为物证出现[1]，对于认定起火原因和起火点有重要作用。当前，国内对于电气火灾物证鉴定工作中最常见的一种方法是金相法[2]，主要是应用于金属导线熔痕的鉴定，但基本都是针对导线，不适用黄铜插片等导电构件。实际火灾现场勘验中发现了除了金属导线以外的电气设备金属构件熔痕，因此对构件熔痕的鉴定也是认定电气火灾起火点和起火原因的一个重要的依据[3]。目前，沈阳消防研究所王连铁的《黄铜插片熔化性质的实验研究》[4]、广东韦媚媚的《加热温度、时间和冷却方式对黄铜金相组织的影响》[5]针对火场黄铜痕迹都做了相关研究。但目前国内对热环境影响下的黄铜插片金相特征研究较少，本文用同一标号的黄铜插片制备短路、火烧熔痕并观察其金相组织，用一体化程序控温炉模拟火场热环境，观察温度对黄铜插片短路、火烧熔痕的金相组织的影响[6]。
2 实验内容
2.1 实验仪器、材料及试剂
2.1.1 实验仪器
HZ-1型火灾痕迹物证综合实验台，一体式程序控温炉，PG-2D型金相试样抛光机，4XCZ型金相显微镜，XTL-340型体视显微镜，Canon PowerShot A630数码照相机，酒精灯。
2.1.2 实验材料及试剂
H68标号的黄铜插片，自凝牙托水，自凝牙托粉，抛光粉，蒸馏水，无水乙醇，金相砂纸，氯化铁盐酸水溶液。
2.2 样品制备
2.2.1 一次短路熔痕制备
用导线连接黄铜插片固定于火灾痕迹物证综合实验台，另一个黄铜插片通过导线固定于焊把，设电压为220V，用固定在焊把上的插片点触实验台上固定的插片，产生短路熔痕。切断电源，控制条件多次重复，提取一次短路熔痕作为实验试样。
2.2.2 二次短路熔痕制备
用同样的方式固定插片于试验台，电压不变，将两端的黄铜插片置于液化气灶火焰外焰处加热15min后，用固定于焊把的插片点触固定于实验台上的插片，产生短路熔痕。切断电源，继续加热3min，待其在空气中冷却，控制条件多次重复，提取二次短路熔痕作为实验试样。
2.2.3 火烧熔痕制备
点燃酒精喷灯，使用酒精喷灯外焰灼烧黄铜插片，插片端部熔化后，置于室温下冷却，控制条件多次重复，得到熔痕作为实验试样。
2.2.4 热环境作用一次短路熔痕制备
将制备好的一次短路熔痕放入一体式程序控温炉中，设起始温度为22℃，终止温度分别设定为400℃、600℃、800℃，设定加热时间为50min。加热结束后，使一次短路熔痕在炉中冷却20min后取出。每种温度制备三组试样观察，编号见表1。
表1 热环境作用黄铜插片一次短路熔痕试样编号
2.2.5 热环境作用二次短路熔痕制备
方法同上，编号见表2。
表2 热环境作用黄铜插片二次短路熔痕试样编号
2.2.6 火烧熔痕的制备
方法同上，编号见表3。
表3 热环境作用黄铜插片火烧熔痕试样编号
3 实验结果
3.1 黄铜插片一次短路熔痕金相组织
3.1.1 一次短路熔痕
图1～图4为黄铜插片一次短路熔痕金相组织。晶粒方面：基体大多为树枝状晶、柱状晶、胞状晶，晶粒较小，且晶界较细，晶粒生长具有明显的方向性；气孔方面：有极其少量的气孔，形状较为整齐，分布较为均匀。
图1 yc-yc-1试样（400×）
图2 yc-yc-2试样（400×）
图3 yc-yc-3试样（400×）
图4 yc-yc-4试样（400×）
3.1.2 一次短路熔痕加热至400℃
图5～图8为黄铜插片一次短路熔痕加热至400℃时的金相组织。晶粒方面：基体为大多为树枝状晶、柱状晶、胞状晶，晶粒较小，且晶界较细，晶粒生长具有一定的方向性；气孔方面：气孔较少，直径较小，整体分布比较均匀，形状比较整齐。
图5 yc-400-1试样（100×）
图6 yc-400-2试样（100×）
图7 yc-400-3试样（100×）
图8 yc-400-4试样（100×）
3.1.3 一次短路熔痕加热至600℃
图9～图12为黄铜插片一次短路熔痕加热至600℃时的金相组织。晶粒方面：基体为粗大的胞状晶，晶界较明显，基体中大多为树枝状晶，晶粒生长的方向性变模糊；气孔方面：气孔的数量较多，分布比较均匀，直径比较均匀，形状比较规整。
图9 yc-600-1试样（100×）
图10 yc-600-2试样（100×）
图11 yc-600-3试样（100×）
图12 yc-600-4试样（100×）
3.1.4 一次短路熔痕加热至800℃
图13～图16为黄铜插片一次短路熔痕加热至800℃时的金相组织。晶粒方面：基体为粗大的胞状晶，晶界较明显，晶粒生长不具有方向性。；气孔方面：气孔数量较多，分布较均匀，直径大小不一。
图13 yc-800-1试样（100×）
图14 yc-800-2试样（100×）
图15 yc-800-3试样（100×）
图16 yc-800-4试样（100×）
3.2 黄铜插片二次短路熔痕金相组织
3.2.1 二次短路熔痕
图17～图20为黄铜插片二次短路熔痕金相组织。晶粒方面：基体大多为树枝状晶、柱状晶，晶粒较细小，且晶界较细，晶粒生长具有一定的方向性；气孔方面：气孔数量较少，分布较均匀，直径较小，形状比较整齐。
图17 ec-ec-1试样（100×）
图18 ec-ec-2试样（100×）
图19 ec-ec-3试样（100×）
图20 ec-ec-4试样（100×）
3.2.2 二次短路熔痕加热至400℃
图21～图24为黄铜插片二次短路熔痕加热至400℃时的金相组织。晶粒方面：基体大多为树枝状晶、柱状晶、胞状晶，晶体略微变大，且晶界较细，晶粒生长具有一定的方向性；气孔方面：气孔较多，整体分布较均匀，直径略微变大，形状较整齐。较相同条件下的一次短路熔痕组织，数量多，直径大。
图21 ec-400-1试样（100×）
图22 ec-400-2试样（100×）
图23 ec-400-3试样（100×）
图24 ec-400-4试样（100×）
3.2.3 二次短路熔痕加热至600℃
图25～图28为黄铜插片二次短路熔痕加热至600℃时的金相组织。晶粒方面：基体为粗大的胞状晶，晶界较明显，个别基体中存在柱状晶；气孔方面：有较多气孔，分布比较均匀，直径比较均匀，形状比较整齐，较相同条件下的一次短路熔痕组织，气孔数量多，直径大。
图25 ec-600-1试样（100×）
图26 ec-600-2试样（100×）
图27 ec-600-3试样（100×）
图28 ec-600-4试样（100×）
3.2.4 二次短路熔痕加热至800℃
图29～图32为黄铜插片二次短路熔痕加热至800℃时的金相组织。晶粒方面：基体为粗大的胞状晶，形状为规则的多边形，晶界较明显；气孔方面：有较多量的气孔，分布不均匀，直径比较均匀，较相同条件下的一次短路熔痕组织，气孔数量多，直径小。
图29 ec-800-1试样（100×）
图30 ec-800-2试样（100×）
图31 ec-800-3试样（100×）
图32 ec-800-4试样（100×）
3.3 黄铜插片火烧熔痕金相组织
3.3.1 火烧熔痕
图33～图36为黄铜插片火烧熔痕金相组织。晶粒方面：以胞状晶、柱状晶为主，晶界较细，个别熔痕晶粒呈树枝状，且生长具有一定的方向性，晶界明显；气孔方面：有极其少量的气孔，大部分火烧熔痕中没有气孔。
图33 hs-hs-1试样（100×）
图34 hs-hs-2试样（100×）
图35 hs-hs-3试样（100×）
图36 hs-hs-4试样（100×）
3.3.2 火烧熔痕加热至400℃
图37～图40为黄铜插片火烧熔痕加热至400℃时的金相组织。晶粒方面：以粗大的胞状晶、柱状晶为主，晶界较粗，且成不连续状；较原始火烧熔痕组织相比，晶粒有所长大；气孔方面：有极其少量的气孔，大部分火烧熔痕中没有气孔。
图37 hs-400-1试样（100×）
图38 hs-400-2试样（100×）
图39 hs-400-3试样（100×）
图40 hs-400-4试样（100×）
3.3.3 火烧熔痕加热至600℃
图41～图44为黄铜插片火烧熔痕加热至600℃时的金相组织。晶粒方面：以粗大的胞状晶，晶粒较大，晶界较粗，个别熔痕晶粒呈树枝状，且生长具有一定的方向性，且生长方向较为杂乱，晶界明显；较加热至400℃的火烧熔痕组织相比，晶粒有所长大；气孔方面：有极其少量的气孔且直径较小。
图41 hs-600-1试样（100×）
图42 hs-600-2试样（100×）
图43 hs-600-3试样（100×）
图44 hs-600-4试样（100×）
3.3.4 火烧熔痕加热至800℃
图45～图48为黄铜插片火烧熔痕加热至800℃时的金相组织。晶粒方面：晶粒由粗大的胞状晶组成，晶界较粗，晶界明显，晶粒呈长条形；较加热至700℃的火烧熔痕组织相比，晶粒有所长大，晶界变大；气孔方面：没有发现气孔。
图45 hs-800-1试样（100×）
图46 hs-800-2试样（100×）
图47 hs-800-3试样（100×）
图48 hs-800-4试样（100×）
4 分析与讨论
4.1 热环境作用下的黄铜插片一次短路熔痕金相分析对比
黄铜由铜、锌和其他微量元素组成的，其性质决定晶粒生长速度，造成了独特金相组织，基体为粗大的胞状晶，晶粒大多为树枝状晶、柱状晶，晶粒生长具有一定的方向性，气孔数量较多，直径较小，一次短路熔痕金相组织明显。黄铜插片一次短路熔痕经过一体化程序控温炉热环境作用后，金相组织变化呈一定规律。① 晶粒方面：随着热环境升温，熔痕基体大多树枝状晶、柱状晶，由细小逐渐变粗大，逐渐变为胞状晶和条形晶，晶界变粗大，生长的方向性逐渐模糊。② 气孔方面：气孔数量增多，直径变大。原因：热环境温度不同，黄铜插片内部应力不同，当加热温度超过应力退火的回复温度时，晶粒再结晶，晶界畸变严重，状态较不稳定，温度升高，大晶粒会吸收小晶粒，从而变成粗大的等轴晶、胞状晶、条形晶。
4.2 热环境作用下的黄铜插片二次短路熔痕金相分析对比
由于实验借助火灾痕迹物证综合实验台模拟二次短路熔痕产生的条件，插片在液化气灶的火焰中发生电弧作用下，加热一段时间后在空气中进行冷却，过冷度较小，与一次短路的过冷度存在区别，故导致金相组织不同。由于过冷度较小，导致晶核数量较少，晶粒成长速度较慢，晶粒整体较粗大，气孔较一次短路数量多、直径大。黄铜插片二次短路熔痕经过一体化程序控温炉热环境作用后，金相组织变化呈一定规律。① 晶粒方面：随着热环境的温度的升高，熔痕金相组织基体大多为树枝状晶、柱状晶，由细小变粗大，形状逐渐变为胞状晶等较大的晶粒，晶粒的生长方向愈加模糊。② 气孔方面：气孔数量增多，直径增大。原因：热环境不同，黄铜插片内部应力不同，过冷度对金相组织造成的影响不同。
4.3 热环境作用下的黄铜插片火烧熔痕金相分析对比
黄铜插片火烧熔痕经过一体化程序控温炉热环境作用后，金相组织变化呈一定规律：① 晶粒方面：随着热环境温度的升高，火烧熔痕金相组织的α相晶粒再结晶，由细小的柱状晶变为晶粒较大的树状晶和条形晶，晶粒的面积变大，晶界变大，晶界变粗，个别熔痕晶粒为柱状晶，但随着温度的升高，晶粒生长的方向性逐渐模糊，在加热至900℃时晶界之间出现偏析现象。② 气孔方面：在大部分火烧熔痕中没有气孔，只有极个别熔痕中出现气孔，且直径较小。
5 结论
（1）一次短路熔痕金相组织在热环境作用下，温度越高，晶粒面积越大，晶界越明显，胞状晶有所长大，基体中大多α相的树枝状晶、柱状晶也有所长大，晶粒生长方向性模糊，气孔数量增多，直径变大。
（2）二次短路熔痕金相组织在热环境的作用下，最显著的特征是，温度越高，胞状晶粒越粗大，晶界越明显，基体中大多为树枝状晶、柱状晶，晶粒逐渐增大；气孔数量增多，直径变大。
（3）火烧熔痕金相组织在热环境的作用下，最为显著的特征是金相组织以胞状晶、柱状晶、树状晶为主。随着温度的升高，晶粒变大，晶界明显变粗，出现以胞状晶、柱状晶为主的晶粒被粗大的等轴晶所包围的现象，在加热至900℃时晶界之间出现偏析。气孔极少，但是出现的气孔会随温度的升高而增大。
参考文献
[1] 高强. 最新有色金属金相图谱大全[M]. 北京：中国冶金工业出版社，2005.
[2] 王希庆，韩宝玉，邸曼. 电气火灾现场勘查与鉴定技术指南[M]. 沈阳：辽宁大学出版社，1996.
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