上海光学仪器一厂
2013/11/14 8:32:13金相分析是研究金属材料组织及其结构的一门科学. 将金相分析的科学理论、技术方法和仪器设备应用于火灾原因鉴定, 丰富了火灾原因鉴定的科学技术手段, 提高了鉴定的科学性、准确性和性. 火灾物证
1金相分析技术
大量的研究表明, 金属材料的化学成分不同, 其性能也不同; 同样化学成分的金属材料, 经过不同的加工或处理工艺, 其性能也将发生巨大的变化. 金属宏观性能决定于内部组织结构变化的性质, 金相分析技术是专门研究金属显微组织及其结构的一门技术. 事实上, 正是由于金相分析技术, 才使金属材料的宏观性能与内部微观组织结构, 金属材料内部微观组织结构与金属的加工处理过程建立起相互对应的、定量和定性的关系.
金相分析的一般步骤[1 , 3 ] : （1） 金相试样的制备. 根据分析的目的截取具有代表性的试样, 经过夹持或嵌镶、粗磨和细磨、抛光等工序后, 再进行金相组织显示. 化学和电解浸蚀法属于传统的光学金相显示方法, 用化学剂腐蚀试样形成凹凸不平的表面, 利用反光能力差别造成的黑白衬度来显示显微组织的形貌特征. 热染法属于彩色金相显示法, 它是采用物理或化学方法在试样表面产生一层厚约011μm 的有特殊性质的薄膜, 利用光的薄膜干涉效应使试样的各种显微组织呈现出不同的颜色, 通过彩色衬度来识别不同的显微组织; （2） 金相观察. 使用光学显微镜观察称为光学金相法, 使用电子显微镜观察称为电子金相法;（3） 金相显微摄影. 将试样显微组织拍成金相照片; （4） 显微组织定量分析. 通过金相观察和显微摄影, 得到了试样显微组织结构及特征的信息, 但对各种组织的量只有一个对比估计值, 还需采用定量金相分析技术, 也可采用自动图相分析仪来收集、记录、测量及处理显微组织参数; （5） 组成相鉴定. 尽管通过金相观察可以区分诸多的组成相, 但对于某些颜色相近的组成相仍难以准确区分. 目前使用的相鉴定方法有: 以测量各组成相硬度来区别的显微硬度法; 以测量各组成相化学成分来区别的俄歇能谱分析法和电子探针法; 以测量各组成相晶体结构来区别的场离子扫描法. 其中显微硬度法属光学金相范围, 其它则属于电子金相范围. 对于不可能采取金相试样的设备, 可使用现场金相检查仪或袖珍金相显微镜, 这些设备可直接在被测零件上抛光、显示、观察和金相拍照.
2火灾物证的金相变化与火灾环境的必然
按照金属学的基本原理, 金属材料在不同的加热、保温和冷却条件下, 所形成的金相组织不同, 在火灾条件下产生的金相组织变化, 必然和火灾的诸多因素存在内在的, 这就是应用金相分析技术鉴定火灾原因的基本依据和思路.
2.1 火灾现场的金属熔痕与金属结晶
金属由液态转变成固态的过程称为结晶. 火场上金属熔痕的形成, 经历了熔化和凝固两个过程. 金属的熔化反映了火场的温度场特征, 金属结晶过程反映了火场具有的复杂条件. 金属结晶后获得的组织称为铸态组织, 典型的铸态组织明显地分为细晶区、柱状晶区和等轴晶区. 火场金属熔痕的金相组织与典型铸态组织的差异, 反映了火灾环境下金属结晶的基本特征.
2.2 火场金属构件与塑性变形金属的回复与再结晶
火场上的许多金属构件是经过塑性变形（冷加工） 制成的. 金属的塑性变形不仅改变金属的外形, 也改变内部的组织和结构. 在金相上的表现为形成纤维组织和产生变形织构. 当塑性变形的金属受热后, 随着温度的升高, 会向变形前的状态相继发生回复、再结晶和晶粒长大等3 阶段的变化. 在回复阶段, 由于温度较低, 金属的显微组织不发生显著变化; 当加热温度较高时, 变形金属的显微组织发生显著变化, 破碎的、被拉长、压扁的晶粒全部转变成均匀、细小的等轴晶粒, 即再结晶阶段结束; 当再结晶阶段结束后继续提高加热温度或延长加热时间, 会使晶粒愈长愈大, 异常大的晶粒组织会导致金属机械性能的严重下降, 这种现象称为二次再结晶或聚合再结晶. 通过对经历火灾后再结晶的金属构件金相分析, 不仅对火灾原因鉴定大有帮助, 也对金属构件被毁坏的严重程度做出了准确的鉴定
2.3 相图是火场金属物证金相分析的有效工具
在金属学中, 相图是以图的形式表示某一金属或合金在某一温度、某一压力下存在的状态. 对于平衡状态的合金来说, 按合金的成分及其所处温度和压力, 从相图上找出相应的表象点, 就可以了解此时合金中存在哪些相、各个相的成分以及各个相的相对量等. 同样, 如果已知某一合金的存在状态, 也可以从相图上知道它的形成条件. 火灾物证金相分析就是通过观察火场金属残留物证的组织状态, 分析其形成条件, 为认定火灾原因提供依据. 因此, 相图是火灾物证金相分析的有效工具之一.
利用相图进行金相分析必须注意: （1） 相图反映的是平衡条件下的相平衡, 不是组织的平衡, 并不能表示相的形状、大小和分布等, 要特别注意相的特性和结晶条件对组织的影响, 尤其是火灾现场的实际条件; （2） 相图给出的是平衡状态的情况, 而平衡状态只有在非常缓慢加热和冷却, 或者在给定温度长期保温的情况下才能达到; 而实际火灾条件下, 相变是在不平衡条件下进行的, 其相变点与相图中所示的相变温度有一些差异. 加热时相变温度偏向高温, 冷却时偏向低温, 随着加热和冷却速度增加, 这种滞后现象更严重. 火灾过程中, 金属材料的冷却可能是快速的和连续的, 也可能是近似于等温的（如矿井的密闭区） . 在应用相图时, 不但要掌握平衡状态下的相变过程, 也要掌握不平衡条件下的相变过程和组织变化规律, 以免影响分析的准确性.
2.4 火场金属物证与金属材料的热处理
熟练的金相分析人员可根据金属材料的组织状态, 指出其热处理工艺, 即加热、保温和冷却的条件.火场金属物证就像进行过一次热处理, 它忠实地记录了火场上的燃烧温度、燃烧时间、冷却速度等物理化学条件. 可以说, 火场金属物证的金相组织是火灾过程的“凝固的记录”. 分析这种“凝固的记录”可为认定火灾原因提供依据.
金相分析与其它分析方法相比的优点: （1） 具有可重复性. 金相试样可进行多次观察和拍照而不影响其原貌; （2） 具有可对比性. 正常状态下的金相组织与受热后的金相组织之间和不同部位的金相组织之间均可进行对比; （3） 直观性. 金相照片就是分析人员认定火因的病理照片, 就像医生诊断病情的透视与拍片一样直观. 目前我国应用金相分析技术检验火灾物证的主要用于, 鉴定金属所在点的温度; 鉴定电气线路引起的火灾; 鉴定电器设备引起的火灾; 鉴定金属材料的破坏形式.
3应用金相分析技术鉴定火灾原因
3.1 导线过负荷引起的火灾鉴定
导线过负荷时, 除了在外观上会出现绝缘层烧焦、碳化、线芯裸露以至出现熔化外, 其金相组织也会发生相应的变化, 根据金相组织的变化可推测导线是否发生过过负荷的现象, 对火灾原因作出结论.导线的原始组织 电气线路中使用的铜、铝导线都是由纯铜或纯铝拉制而成, 即经过一定的冷变形加工, 商品状态的导线为原始状态, 其显微组织沿变形方向被拉长, 呈纤维状, 具有明显的方向性. 导线在正常通电使用状态下, 即导线内流过的电流不超过额定电流时, 其金相显微组织并不发生变化.导线在过负荷状态下的组织 （1） 当铝导线通过115 倍的额定电流时, 其显微组织发生了变化, 出现了再结晶现象, 因为此时线芯温度约为150 ℃, 超过了铝的再结晶温度（100 ℃） , 但低于铜的再结晶温度（200 ℃） . 铜导线在通过2 倍的额定电流时, 其显微组织才出现再结晶现象, 因为此时线芯的稳定温度在300 ℃以上, 超过了铜的再结晶温度; （2） 当铝导线通过小于215 倍的额定电流或铜导线通过小于3 倍的额定电流时, 其晶粒并不是很大, 若导线再被火烧加热, 就会使晶粒在原来的基础上再长大; 而当铝导线通过215 倍以上的额定电流或铜导线通过3 倍以上的额定电流时, 其晶粒已长得相当大, 即使再被火烧加热,其晶粒长大已比较困难. 铜、铝导线在通过不同电流时的显微组织变化。
导线过负荷熔痕的金相鉴定 导线在过负荷严重的情况下, 即铝导线流过2 倍以上额定电流或铜导线流过215 倍以上额定电流时, 除导线的绝缘层燃烧外, 还会产生线芯过热熔断现象, 在熔断处或导线上留下几种不同形状的熔痕. 但由于过负荷熔痕有时酷似火烧熔痕, 从外观上难以认定, 为此要用金相分析方法做出结论. 火烧熔痕的金相组织呈粗大的等轴晶, 而过负荷电流所造成的熔痕其金相组织有两种: （1）在导线熔断处形成的圆珠状或尖状熔痕, 其金相组织呈晶界粗大的胞状晶, 铜导线在晶界处有（Cu +Cu2O） 的共晶组织, 近似于延时短路（即短路持续时间略长） 形成的熔痕的金相组织; （2） 在导线表面形成的颗粒状小结疤痕, 其金相组织呈密细的胞状晶, 近似于短路熔痕的金相组织, 有时也与（1） 的金相组织相同. 虽然外火作用在导线上也出现类似小结疤的熔痕, 但其金相组织为粗大的等轴晶.
过负荷导线的金相鉴定,当在导线上找不到熔痕而又怀疑火灾是由导线过负荷引起时, 应在该有负荷线路上的一段没有受到过火烧或火灾热作用的导线作金相分析. 如果沿导线全长出现均匀的再结晶时, 则可认定为是导线过负荷所致; 如果沿导线全长在着火部位出现再结晶, 而非着火部位没有出现再结晶时,则可认定为是火烧所致, 并可排除导线过负荷引起火灾的可能.
3.2 导线短路引起的火灾鉴定
导线短路形成的熔痕可分为两种, 一种是在发生火灾之前短路而形成的, 可能是引起火灾的点火源,称为一次短路熔痕; 另一种是着火之后, 火灾火焰或火灾热使导线绝缘破坏后而形成的, 不是引起火灾的点火源, 称为二次短路熔痕.
火烧熔痕与短路熔痕的金相鉴定 由于这两种熔痕形成的条件不同, 它们在金相组织上就存在着差异. 火烧熔痕与短路熔痕在金相组织上的不同主要有:
（1） 在发生短路时, 短路点处熔化一个小熔池, 然后结晶成铸态组织. 短路熔痕铸态组织的形成不同于一般的情况, 它的主要特点是瞬间在相当大的过冷度和冷却速度下形成的. 在这种冷却条件下, 短路熔痕生长成以柱状晶为主的细小组织. 火烧熔痕结晶时的环境温度为火灾温度, 它的冷却速度比较缓慢, 过冷度比较小, 因此火烧熔痕的金相显微组织呈粗大的等轴晶粒.
（2） 导线被火烧熔化时, 往往在导线中心仍保留有未熔化的金属, 而短路电流的热作用是在导线内部,因此在整个导线的横断面上呈现全部熔化的痕迹.
（3） 火烧熔痕除了充分地吸收周围环境中的氧气而起氧化反应外, 大部分的气体都被逸出体外. 因为火灾现场的温度很高, 因此冷却速度相当缓慢, 凝固过程较长. 这样, 金属熔化时, 溶解的气体有充分的逸出时间, 所以, 火烧熔痕的金相组织除了呈粗大的等轴晶外, 金相磨面是光滑的, 组织内几乎没有气孔存在. 短路熔珠因在2 000 ℃以上的高温下形成, 在形成时冷却速度快, 过冷度大, 凝固过程极短, 因此, 金属在熔化时所吸收的氧气等还没有来得及与金属充分反应和逸出时, 就被截留在内部组织中. 所以短路形成的熔痕金相组织除了呈细小的柱状晶外, 金相组织内有较多的气孔存在.
（4） 火烧熔痕附近导线的组织呈明显退火组织, 表现为晶粒粗大, 而短路熔痕附近导线的组织往往因高温作用时间短, 仍表现为塑性变形后的纤维组织.
一次短路熔痕与二次短路熔痕的金相鉴定 两种短路熔痕在外观上没有明显差别, 但由于二者产生的外界环境不同, 因此, 在它们各自形成的短路熔痕中便留下了可以区别的微观特征.
（1） 一次短路熔痕的显微组织大都是由细小的柱状晶组成, 而二次短路熔痕的显微组织都是由等轴晶组成, 且被很多气孔分割, 出现较多粗大晶界, 在多数情况下, 看不到与一次短路熔痕相同的细小柱状晶组织. 产生这种显微组织差别的原因是两种短路熔痕从液态结晶时以及结晶后所处的环境温度不同所致.当熔痕从液态结晶时, 由于一次短路熔痕结晶时的环境温度为正常气温, 而二次短路熔痕结晶时的环境温度为火灾温度, 所以两者在结晶时的冷却速度有着较大的差别, 从而使结晶时的过冷度也存在着明显的差异. 即一次短路熔痕比二次短路熔痕的冷却速度要大一些, 过冷度也大一些, 因此, 一次短路熔痕的显微组织以柱状晶为主, 而二次短路熔痕的显微组织以等轴晶为主, 熔痕的晶粒也比一次短路熔痕的晶粒粗大.
（2） 一次短路熔痕内部气孔少而小; 二次短路熔痕内部气孔多而大. 一次短路熔痕由于其形成的环境温度低, 冷却速度快, 凝固过程短, 虽被截留在熔痕内的气体较多, 但由于它是在燃烧产物和水蒸气等很少的环境中形成的, 所以, 一次短路熔痕内部的气孔总是又少又小. 二次短路熔痕是在火灾中形成的, 因火场温度高, 冷却速度慢, 凝固过程长, 虽析出的气体较多, 但由于火灾环境中存在着大量的灰尘、杂质和各种燃烧产物, 以及受火灾热作用而蒸发的水蒸气等, 因此, 二次短路熔痕内部的气孔总是又大又多.
（3） 对于铜导线, 一次短路熔痕气孔周围的（Cu + Cu2O） 共晶体较少, 不太明显; 而二次短路熔痕气孔周围（Cu + Cu2O） 共晶体较明显. 这是由于一次短路熔痕是在正常环境下形成的, 外界环境温度低, 冷却速度快, 过冷度大, 凝固时间短及空气中的水蒸气少, 故氧气的溶解量少, 还没有来得及与铜充分反应产生Cu2O 时, 就被析出组织之外, 所以一次短路熔痕气孔周围生成的（Cu + Cu2O） 共晶体很少, 而二次短路熔痕是在火灾条件下形成的, 因外界环境温度高, 冷却速度慢, 过冷度小, 凝固时间长, 再加上空气中的水蒸气多, 氧与铜的反应增加, 又因气孔周围的晶粒缺陷较多, 氧得以沿晶深入, 故生成的（Cu + Cu2O）共晶体的量也相应地增多, 比一次短路熔痕更为明显.
（4） 一次短路熔珠过渡区（熔珠与导线衔接处） 有较明显的界限; 而二次短路熔珠过渡区界限不明显. 两者如果在火场的火焰中继续受高温加热时, 二次短路熔珠过渡区的界限更加犬牙交错和紊乱, 在大晶界内的原始柱状晶已模糊不清; 而一次短路熔珠的显微组织虽然由细小的柱状晶相互吞并聚集长大, 但在大晶界内仍然存在着柱状晶的痕迹, 过渡区的界限依然比较明显. 一次短路熔珠在形成时, 因环境温度较低, 整个导线的金相组织为加工时的状态. 在短路瞬间, 除短路点处于高温状态下外, 整个导线的温度并不高, 其金相组织仍呈方向性, 所以温度过渡区的界限比较明显, 如果继续在火场的火焰中不断加热,过渡区域加工状态的金相组织虽随着温度的升高而再结晶变为粗大的等轴晶, 以及在短路熔珠内的细小柱状晶也发生了晶粒长大, 但过渡区域的界限仍然比较清楚. 而二次短路熔珠在形成之前, 因火灾的高温作用, 整个导线的温度比较高, 因此, 除短路点处于高温状态下外, 在短路点附近的温度也比较高, 所以过渡区域的界限比较模糊. 如果也在火焰中不断加热, 则在短路熔珠内比较粗大的柱状晶和在过渡区域内比较粗大的等轴晶都将继续长大, 从而使过渡区域的界限和柱状晶的残痕更加犬牙交错和模糊不清.
4结 语
实现矿井火灾原因鉴定从宏观的经验认定到微观的技术鉴定的转变, 需要应用和发展大量的现代科学技术与设备, 金相分析技术仅是其中之一. 煤矿井下几乎*的金属设备、金属构件、电气设备与线路, 决定了采用金相分析技术鉴定矿井火灾原因的适用性和实用性, 根据我国消防领域应用金相分析技术的经验和本文的论述, 采用金相分析技术鉴定矿井火灾原因可以在以下方面得出明确的结论:
（1） 金属物证所在点所经历的zui高温度、升温速度、zui高温度持续时间及降温、冷却条件;
（2） 电气线路和电气设备是否是矿井火灾或爆炸事故的引火源;
（3） 鉴定金属材料、容器的破坏形式及作用.
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