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目前，金相檢驗(yàn)在電氣火災(zāi)物證鑒定中應(yīng)用廣泛，但該方法僅能分析鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕組織中的枝晶形態(tài)和氣孔特征，無法顯示晶粒的大小和形狀。為了觀察鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的晶粒形態(tài)，尋找鑒別鋁導(dǎo)線短路熔珠類型的可靠依據(jù)，在冶金行業(yè)已被成熟應(yīng)用的彩色金相檢驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，研究人員研究了一種給鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的顯微組織著色的彩色金相檢驗(yàn)方法，對熔痕中不同位向的晶粒進(jìn)行著色，觀察熔痕晶粒的形狀、大小等特征，為分析鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的形成原因提供了新的發(fā)展方向。

1、彩色金相檢驗(yàn)的原理及方法

1.1 彩色金相檢驗(yàn)的原理

彩色金相檢驗(yàn)中色彩的呈現(xiàn)主要依據(jù)的是薄膜干涉現(xiàn)象，其原理是通過各種特殊方法在試樣的表面形成一層薄膜，薄膜的厚度與試樣表面組織密切相關(guān)。薄膜的厚度不同，產(chǎn)生的干涉顏色也不同，從而可以對不同組織進(jìn)行區(qū)分。目前應(yīng)用比較成熟的成膜方法有熱染法、化學(xué)腐蝕法等。

采用彩色金相檢驗(yàn)方法得到的顯微組織形貌不僅美觀、漂亮，而且能顯示更多的組織信息，如枝晶、第二相、成分偏析等，該方法對顯微組織的定性、定量分析具有重要意義。彩色金相檢驗(yàn)在鋼鐵、冶金等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其對鋼鐵和有色金屬的組織均有較好的顯示效果，能夠清晰地顯示出組織中特殊的相和較難顯示的細(xì)節(jié)，且顯微組織形貌的色彩鮮艷、分辨率高。

1.2 彩色金相檢驗(yàn)的方法

采用陽極覆膜法對鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的金相試樣進(jìn)行著色，采用偏振光法作為輔助手段來觀察試樣的著色效果。陽極復(fù)膜法是以金相試樣為陽極，在特定的電解液、工藝條件和外加電流的作用下，在陽極表面形成一層氧化膜的過程。純鋁晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，屬于光學(xué)上的各向同性晶體。對試樣進(jìn)行陽極復(fù)膜處理，試樣表面形成一層光學(xué)各向異性的六方晶系氧化鋁膜，膜的位向與試樣表面晶粒取向相對應(yīng)。這種薄膜對偏振光極為敏感，在顯微鏡的偏光視場下，可觀察到彩色襯度，不同位向的晶粒呈現(xiàn)出不同的顏色。

2、試樣制備與試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

2.1.1 一次短路熔珠

截取不同線徑截面積(2.5mm2 和4mm2)的鋁導(dǎo)線各兩段，每段長度約為20cm，在火災(zāi)物證綜合試驗(yàn)臺上將兩根導(dǎo)線分別與電源的正極和負(fù)極相連接，電壓為220V，頻率為50Hz，短路電流為180A，將兩根導(dǎo)線直接短接,得到一次短路熔珠。

2.1.2 二次短路熔珠

截取同樣材料的鋁導(dǎo)線各兩段，分別與電源正極和負(fù)極相連接，然后將兩段導(dǎo)線連同絕緣層絞合在一起。純鋁的熔點(diǎn)較低，在溫度為660℃時(shí)即可熔化，因此采用引燃木屑的方式模擬火災(zāi)環(huán)境。將互相鉸接的導(dǎo)線置于火焰上方，待絕緣層燒焦脫落后，導(dǎo)線互相接觸并發(fā)生短路，短路后繼續(xù)置于火焰中5min，得到二次短路熔珠。

2.1.3 火燒熔珠

選取同樣材料的鋁導(dǎo)線，剝?nèi)ソ^緣層，打開綜合試驗(yàn)臺上的液化氣灶，待火焰穩(wěn)定后，利用熱電偶和數(shù)顯溫控儀測量火焰上方區(qū)域的溫度。將導(dǎo)線置于溫度為(700±30)℃的區(qū)域內(nèi)加熱，待導(dǎo)線端部熔化后，將其在室溫下自然冷卻,得到火燒熔痕，并收集熔珠待用。

2.1.4 彩色金相試樣

使用牙托粉和自凝牙托水將制備好的鋁導(dǎo)線一次短路熔珠、二次短路熔珠和火燒熔痕進(jìn)行快速鑲嵌。陽極復(fù)膜法需要對試樣通電，因此鑲嵌時(shí)應(yīng)注意將導(dǎo)線本體伸出鑲嵌料，伸出長度約為2~3cm。將鑲嵌好的試樣用金相砂紙進(jìn)行粗磨和細(xì)磨，打磨時(shí)應(yīng)朝同一個(gè)方向打磨，當(dāng)磨痕細(xì)小密集時(shí)即可更換粒度更小的砂紙。每更換一次砂紙，應(yīng)旋轉(zhuǎn)90°，使試樣方向與舊磨痕方向垂直，然后繼續(xù)打磨，直至舊磨痕完全消失、新磨痕均勻且一致性較好。將打磨好的試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光劑使用氧化鋁懸浮液。純鋁的質(zhì)地較軟，容易發(fā)生變形或劃傷，拋光產(chǎn)生的顆粒物可能會被壓入試樣表面，因此應(yīng)避免拋光時(shí)用力過大，拋光的時(shí)間應(yīng)足夠長，以去除所有嵌入的顆粒。當(dāng)拋光至試樣表面光亮且無劃痕時(shí)，即可進(jìn)行著色操作。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的陽極覆膜設(shè)備為電解拋光儀，搭配不銹鋼蝕刻鍋，電解拋光儀用于調(diào)節(jié)陽極覆膜的電壓;不銹鋼蝕刻鍋用于盛放電解液，并進(jìn)行覆膜操作。

電解液的配制方法為：將20mL的40%(體積分?jǐn)?shù))氟硼酸水溶液倒入燒杯中，加蒸餾水稀釋至1000mL，將溶液倒入蝕刻鍋內(nèi);將拋光好的試樣用鉗子夾住，將其與電源陽極連接，并置于蝕刻鍋中，試樣的拋光面朝下，使拋光面剛好浸入液面，但應(yīng)注意鉗子不要碰到液面，否則電流會從鉗子導(dǎo)入電解液中;復(fù)膜電壓為20V，復(fù)膜時(shí)間為1~2min，在復(fù)膜過程中手持鉗子，并輕輕晃動，以避免氣泡在試樣表面富集;復(fù)膜完成后，用乙醇漂洗試樣表面，并吹干試樣。使用倒置式光學(xué)顯微鏡觀察試樣，并將起偏鏡與檢偏鏡調(diào)至正交狀態(tài)。

3、試驗(yàn)結(jié)果

3.1 短路熔珠

圖1~2為線徑截面積為2.5mm2 鋁導(dǎo)線一次短路熔珠與二次短路熔珠的彩色顯微組織形貌。由圖1~2可知：一次短路熔珠的晶粒主要為柱狀晶，晶粒細(xì)長，且具有明顯的方向性，等軸晶較少，晶粒內(nèi)部的枝晶組織不明顯，組織中含有一定數(shù)量的氣孔，氣孔形狀較規(guī)則;二次短路熔珠的晶粒為粗大的等軸晶,晶粒沒有明顯的方向性，晶粒內(nèi)部的枝晶組織不明顯，組織中含有一定數(shù)量的氣孔，二次短路熔珠氣孔形狀較一次短路熔珠氣孔形狀的規(guī)則性差。

圖3~4為線徑截面積為4mm2鋁導(dǎo)線一次短路熔珠與二次短路熔珠的彩色顯微組織形貌。由圖3~4可知：一次短路熔珠的晶粒為細(xì)長的柱狀晶，晶粒內(nèi)部無明顯的枝晶組織，氣孔較多，且氣孔體積較小;二次短路熔珠的晶粒為等軸晶，晶粒內(nèi)部可以觀察到明顯的枝晶組織，二次短路熔珠氣孔形狀較一次短路熔珠氣孔形狀的規(guī)則性較差。

3.2 火燒熔痕

圖5為線徑截面積為2.5mm2和4mm2鋁導(dǎo)線火燒熔痕的彩色顯微組織形貌。由圖5可知：線徑截面積為2.5mm2和4mm2鋁導(dǎo)線火燒熔痕的晶粒為等軸晶，熔痕內(nèi)部未見氣孔，晶粒內(nèi)部存在枝晶組織，其中線徑截面積為4mm2鋁導(dǎo)線的火燒熔痕中的枝晶組織更加明顯。

4、綜合分析

鋁導(dǎo)線本體的晶粒細(xì)小、密集，發(fā)生短路時(shí)，鋁導(dǎo)線受到瞬時(shí)高溫作用而發(fā)生熔融，并迅速凝固。金屬的凝固可分為形核和長大兩個(gè)過程，形核與長大互相交替進(jìn)行，直至液態(tài)金屬完全被消耗。在一定的過冷條件下，金屬內(nèi)部會發(fā)生形核過程。晶核長大有平面長大和樹枝狀長大兩種方式，金屬結(jié)晶時(shí)，晶核主要以樹枝狀的方式長大。晶粒的形狀和尺寸受冷卻速率的影響較大，外界環(huán)境溫度越高，熔融金屬與周圍環(huán)境的溫差越小，形成的晶粒方向性越小，組織越趨向于等軸晶。

一次短路與二次短路發(fā)生時(shí)的環(huán)境溫度不同，二者的晶粒再結(jié)晶過程有明顯的差異。一次短路熔珠形成時(shí)的環(huán)境溫度較低，過冷度較大，冷卻速率較快，晶粒為狹長的柱狀晶，且方向性明顯。二次短路熔珠晶粒為粗大的等軸晶，無方向性。一次短路熔珠與二次短路熔珠均有明顯的過渡區(qū)?；馃酆坌纬蓵r(shí)，環(huán)境溫度較高,冷卻速率較慢，晶粒以樹枝狀方式長大，形成了等軸晶,晶內(nèi)枝晶組織比較明顯。導(dǎo)線整體為均勻受熱，因此不存在過渡區(qū)。

5、結(jié)論

探索了鋁導(dǎo)線火災(zāi)熔痕的彩色金相檢驗(yàn)方法，并對得到的彩色顯微組織形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一次短路熔珠晶粒為細(xì)長的柱狀晶，有一定的方向性，晶粒內(nèi)部枝晶組織不明顯；二次短路熔珠晶粒為粗大的等軸晶，線徑截面積為4mm2鋁導(dǎo)線二次短路熔珠晶粒內(nèi)部可以觀察到枝晶組織?；馃酆劬Я榇执蟮牡容S晶，晶粒內(nèi)部枝晶組織明顯。一次短路熔珠的氣孔形狀較二次短路熔珠的氣孔形狀更加規(guī)則，火燒熔痕中不存在氣孔。