多股铜导线一次短路熔痕的电子金相法研究

 摘 要：本文通过制备多股铜导线一次短路熔痕，对其金相组织进行金相显微观察和扫描电子显微镜显微观察，进行对比总结。本实验拟在结合二者特点的基础之上探讨一种新的方法——电子金相法。实验结果表明：利用电子金相法可对样品的可对样品的金相组织进行细微的观察，且观察效果优于金相显微观察。利用KYKY SemImage软件分析电子金相法得出的多股铜导线一次短路熔痕图片，对结构特征进行统计分析，提炼出铜导线一次短路熔痕电子金相典型特点，并总结出温度、线径、电压都为影响晶界、晶粒、气孔的原因；与能谱（EDS）联用对观察到的样品进行元素成分分析。电子金相法将金相显微镜观察法，扫描电子显微镜和用能谱仪进行有机结合融为一体，从而可以从多方面、多角度的对样品进行证明。更科学、可靠、准确的对火灾现场物证进行技术鉴定，为起火原因的认定提供有利的支持。

关键词：一次短路；金相分析；扫描电子显微镜；EDS

Electronic Metallographic Method study on A Short Sircuit Arcing Mark of multi-strand Copper Wire

Abstract:Several a short circuit arcing mark of multi-strand copper wire were prepared and characterized by Metallurgical Microscope and Scanning Electron Microscope(SEM). The observed results have been compared and summarized. A new method of Electronic Metallographic Method has been proposed to be used to study the metallographic of a metal. According to the comparison results, it was proved that Electronic Metallographic Method can be used to study the metallographic of a metal and it is superior to the microscopic crystalline grain method. KYKY SemImage software was used to analyze the a short circuit arcing pictures of multi-strand copper wire and the structure characteristics were statistics and analyzed. Based on the analysis results provided by the software, the typical characteristics of a short circuit arcing have been summarized and it is found that the influencing factors of grain boundary, crystalline grain, stoma include temperature, diameter of wire and voltage. The combined usage of SEM and Energy Dispersive Spectrometer(EDS) was used to analyze the element composition of the samples, which could provide more proof for fire causes identification and was proved to be a more scientific, reliable and accurate technology of Fire Evidence Identification.

Keywords a short circuit arcing mark; metallographic analysis; microscopic analysis; scanning electron microscope, Energy Dispersive Spectrometer

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III

1 前言 1
2 实验部分 3
2.1 实验设备 3
2.2 实验材料 3
2.3 实验原理 3
2.4 实验样品制备 4
2.4.1 一次短路熔珠的制备 4
2.4.2 模拟火灾现场样品的制备 4
2.4.3 金相样品的制备 4
2.4.4 扫描电子显微镜样品的制备 6
3 实验结果与分析 7
3.1 定性分析 7
3.1.1 对晶界的观察和分析 7
3.1.2 对晶粒形态的观察与分析 9
3.1.3 对气孔的观察与分析 11
3.2 定量分析 13
3.2.1 温度条件对晶界定量分析的影响 14
3.2.2 温度条件对晶粒定量分析的影响 19
3.2.3 温度条件对气孔定量分析的影响 23
3.2.4 线径条件对晶界定量分析的影响 29
3.2.5 线径条件对晶粒定量分析的影响 30
3.2.6 线径条件对气孔定量分析的影响 33
3.2.7 电压条件对晶界定量分析的影响 36
3.2.8 电压条件对晶粒定量分析的影响 37
3.2.9 电压条件对气孔定量分析的影响 38
3.2.10 与EDS联用对成分分析 39
4 结论 41
5 展望 42
参考文献 43
致谢 44

1 前言
当今社会，电气设备在人民生活中日益普及，而在电气设备广泛使用的同时，电气故障也呈现高发态势，由此引发的电气火灾也越来越多。近年来，人们对于火灾调查工作越来越重视，准确调查每一起火灾的原因，已成为公安机关消防机构最重要的工作之一。这类案件经常会截取火灾现场的金属导体作为电气火灾技术鉴定的重要物证，电气火灾的痕迹会遗留在金属导体上并以熔痕的形式保存下来。在电气火灾调查的调查和认定，其关键问题之一是对于火灾现场中提取到的短路熔痕的鉴定，也就是火灾引起短路，还是短路引起火灾，这对确定起火原因很重要。
家用电气的线路系统中，铜导线居多，其中多股铜导线更是占有一定比重，对多股铜导线熔痕的分析研究也成为了电气火灾物证鉴定中的重要内容。目前国内外学者对多股铜导线熔痕所展开的金相研究趋于成熟。
国外学者在多股铜导线熔痕认定方面形成了自己的特点: 日本对一次短路熔痕和二次短路熔痕的外观形貌、金相组织和微观形貌进行了特征比较, 得出了一系列有价值的结论[1]; 日本学者Eui-Pyeong Lee等采用扫描电子显微镜、×射线能谱分析仪进行了形貌观察和表面的成分分析, 并利用拉曼光谱对熔痕碳化残留物结构进行测定, 得出一次短路的导线熔痕内部含有石墨化碳和不定型碳, 而二次短路的导线熔痕内部仅含有不定型碳[2]。
我国近年来针对铜导线短路熔痕的研究也取得了一些成就，目前国内有多种方法可以对铜导线的短路熔痕进行鉴定，公安部沈阳消防科学研究所提出的具有代表性的鉴定技术方法主要有六种, 即: 宏观鉴别法[3]、成分分析法[4]、剩磁法[5]、金相分析法[6]、微观形貌法、模拟试验法, 部分已编制成国家标准。但是，各种鉴定方法和技术都有一定的适用范围和局限性[7]。如，由于火灾现场的复杂性，形成的熔化痕迹的金相组织往往各不相同，而且可能由于个人主观方面因素，而为鉴定结果增加不确定度。
目前，电气火灾物证鉴定中用于形貌分析的主要有金相显微分析和扫描电镜分析,二者在成像原理和图像观察上都有一定的差别。扫描电镜（SEM）像原理为二次电子衬度原理，是指扫描电子束从样品表面激发出二次电子，二次电子的强度与微区表面的几何形状有关，由此通过接收二次电子就可以得出样品图像。扫描电镜的一个重要特点是景深大，图像富立体感。扫描电镜的焦深比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息。在SEM下,可以方便地从40～20000倍范围自由调节放大倍率,所以扫描电镜的一个重要特点就是具有很高的分辨率。观察到在普通光学金相显微镜下所不可能看到的材料的立体图像。推广应用这种方法,可以更有效地分析金属材料的微观组织,扩大扫描电镜在微观分析中的应用范围[8]。
金相显微镜的成像原理是根据几何光学，通过目镜以及物镜对观察的对象进行两次放大。金相检测是一种用于研究金属材料内部结构组织与材料性能之间关系的检测技术。其方法是对特定的金相试样，在金相显微镜下获取该试样的金相图像。金相图像以二维显微图像的形式展示了该材料的内部组织。
鉴于金相显微分析和电镜分析存在诸多差异，本实验拟在结合二者特点的基础之上探讨一种新的显微观察方法——电子金相法，即在对导线熔痕的金相分析过程中，对已经抛光好的样品进行浸蚀，由于样品表面各个部分的能量不同，从而浸蚀速度不同，使样品表面产生凹凸不平的形态。正是由于这些凹凸不平的特征，可以根据扫描电子显微镜二次电子衬度原理观察出镜面样品上的金相组织微观特征。利用扫描电镜分辨率高、放大倍数大、景深范围大等优越性能开展对金相样品的分析研究。总结出多股铜导线一次短路熔痕金相组织的微观结构在扫描电镜下的特征，为多股铜导线一次短路熔痕鉴定提供参考依据。