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上海光學(xué)儀器一廠-鑒定礦井火災(zāi)原因的金相分析技術(shù)
金相分析是研究金屬材料組織及其結(jié)構(gòu)的一門科學(xué). 將金相分析的科學(xué)理論、技術(shù)方法和儀器設(shè)備應(yīng)用于火災(zāi)原因鑒定, 豐富了火災(zāi)原因鑒定的科學(xué)技術(shù)手段, 提高了鑒定的科學(xué)性、準確性和性. 火災(zāi)物證
1金相分析技術(shù)
大量的研究表明, 金屬材料的化學(xué)成分不同, 其性能也不同; 同樣化學(xué)成分的金屬材料, 經(jīng)過不同的加工或處理工藝, 其性能也將發(fā)生巨大的變化. 金屬宏觀性能決定于內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化的性質(zhì), 金相分析技術(shù)是專門研究金屬顯微組織及其結(jié)構(gòu)的一門技術(shù). 事實上, 正是由于金相分析技術(shù), 才使金屬材料的宏觀性能與內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu), 金屬材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)與金屬的加工處理過程建立起相互對應(yīng)的、定量和定性的關(guān)系.
金相分析的一般步驟[1 , 3 ] : （1） 金相試樣的制備. 根據(jù)分析的目的截取具有代表性的試樣, 經(jīng)過夾持或嵌鑲、粗磨和細磨、拋光等工序后, 再進行金相組織顯示. 化學(xué)和電解浸蝕法屬于傳統(tǒng)的光學(xué)金相顯示方法, 用化學(xué)劑腐蝕試樣形成凹凸不平的表面, 利用反光能力差別造成的黑白襯度來顯示顯微組織的形貌特征. 熱染法屬于彩色金相顯示法, 它是采用物理或化學(xué)方法在試樣表面產(chǎn)生一層厚約011μm 的有特殊性質(zhì)的薄膜, 利用光的薄膜干涉效應(yīng)使試樣的各種顯微組織呈現(xiàn)出不同的顏色, 通過彩色襯度來識別不同的顯微組織; （2） 金相觀察. 使用光學(xué)顯微鏡觀察稱為光學(xué)金相法, 使用電子顯微鏡觀察稱為電子金相法;（3） 金相顯微攝影. 將試樣顯微組織拍成金相照片; （4） 顯微組織定量分析. 通過金相觀察和顯微攝影, 得到了試樣顯微組織結(jié)構(gòu)及特征的信息, 但對各種組織的量只有一個對比估計值, 還需采用定量金相分析技術(shù), 也可采用自動圖相分析儀來收集、記錄、測量及處理顯微組織參數(shù); （5） 組成相鑒定. 盡管通過金相觀察可以區(qū)分諸多的組成相, 但對于某些顏色相近的組成相仍難以準確區(qū)分. 目前使用的相鑒定方法有: 以測量各組成相硬度來區(qū)別的顯微硬度法; 以測量各組成相化學(xué)成分來區(qū)別的俄歇能譜分析法和電子探針法; 以測量各組成相晶體結(jié)構(gòu)來區(qū)別的場離子掃描法. 其中顯微硬度法屬光學(xué)金相范圍, 其它則屬于電子金相范圍. 對于不可能采取金相試樣的設(shè)備, 可使用現(xiàn)場金相檢查儀或袖珍金相顯微鏡, 這些設(shè)備可直接在被測零件上拋光、顯示、觀察和金相拍照.
2火災(zāi)物證的金相變化與火災(zāi)環(huán)境的必然
按照金屬學(xué)的基本原理, 金屬材料在不同的加熱、保溫和冷卻條件下, 所形成的金相組織不同, 在火災(zāi)條件下產(chǎn)生的金相組織變化, 必然和火災(zāi)的諸多因素存在內(nèi)在的, 這就是應(yīng)用金相分析技術(shù)鑒定火災(zāi)原因的基本依據(jù)和思路.
2.1 火災(zāi)現(xiàn)場的金屬熔痕與金屬結(jié)晶
金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程稱為結(jié)晶. 火場上金屬熔痕的形成, 經(jīng)歷了熔化和凝固兩個過程. 金屬的熔化反映了火場的溫度場特征, 金屬結(jié)晶過程反映了火場具有的復(fù)雜條件. 金屬結(jié)晶后獲得的組織稱為鑄態(tài)組織, 典型的鑄態(tài)組織明顯地分為細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū). 火場金屬熔痕的金相組織與典型鑄態(tài)組織的差異, 反映了火災(zāi)環(huán)境下金屬結(jié)晶的基本特征.
2.2 火場金屬構(gòu)件與塑性變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶
火場上的許多金屬構(gòu)件是經(jīng)過塑性變形（冷加工） 制成的. 金屬的塑性變形不僅改變金屬的外形, 也改變內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu). 在金相上的表現(xiàn)為形成纖維組織和產(chǎn)生變形織構(gòu). 當(dāng)塑性變形的金屬受熱后, 隨著溫度的升高, 會向變形前的狀態(tài)相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等3 階段的變化. 在回復(fù)階段, 由于溫度較低, 金屬的顯微組織不發(fā)生顯著變化; 當(dāng)加熱溫度較高時, 變形金屬的顯微組織發(fā)生顯著變化, 破碎的、被拉長、壓扁的晶粒全部轉(zhuǎn)變成均勻、細小的等軸晶粒, 即再結(jié)晶階段結(jié)束; 當(dāng)再結(jié)晶階段結(jié)束后繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時間, 會使晶粒愈長愈大, 異常大的晶粒組織會導(dǎo)致金屬機械性能的嚴重下降, 這種現(xiàn)象稱為二次再結(jié)晶或聚合再結(jié)晶. 通過對經(jīng)歷火災(zāi)后再結(jié)晶的金屬構(gòu)件金相分析, 不僅對火災(zāi)原因鑒定大有幫助, 也對金屬構(gòu)件被毀壞的嚴重程度做出了準確的鑒定
2.3 相圖是火場金屬物證金相分析的有效工具
在金屬學(xué)中, 相圖是以圖的形式表示某一金屬或合金在某一溫度、某一壓力下存在的狀態(tài). 對于平衡狀態(tài)的合金來說, 按合金的成分及其所處溫度和壓力, 從相圖上找出相應(yīng)的表象點, 就可以了解此時合金中存在哪些相、各個相的成分以及各個相的相對量等. 同樣, 如果已知某一合金的存在狀態(tài), 也可以從相圖上知道它的形成條件. 火災(zāi)物證金相分析就是通過觀察火場金屬殘留物證的組織狀態(tài), 分析其形成條件, 為認定火災(zāi)原因提供依據(jù). 因此, 相圖是火災(zāi)物證金相分析的有效工具之一.
利用相圖進行金相分析必須注意: （1） 相圖反映的是平衡條件下的相平衡, 不是組織的平衡, 并不能表示相的形狀、大小和分布等, 要特別注意相的特性和結(jié)晶條件對組織的影響, 尤其是火災(zāi)現(xiàn)場的實際條件; （2） 相圖給出的是平衡狀態(tài)的情況, 而平衡狀態(tài)只有在非常緩慢加熱和冷卻, 或者在給定溫度長期保溫的情況下才能達到; 而實際火災(zāi)條件下, 相變是在不平衡條件下進行的, 其相變點與相圖中所示的相變溫度有一些差異. 加熱時相變溫度偏向高溫, 冷卻時偏向低溫, 隨著加熱和冷卻速度增加, 這種滯后現(xiàn)象更嚴重. 火災(zāi)過程中, 金屬材料的冷卻可能是快速的和連續(xù)的, 也可能是近似于等溫的（如礦井的密閉區(qū)） . 在應(yīng)用相圖時, 不但要掌握平衡狀態(tài)下的相變過程, 也要掌握不平衡條件下的相變過程和組織變化規(guī)律, 以免影響分析的準確性.
2.4 火場金屬物證與金屬材料的熱處理
熟練的金相分析人員可根據(jù)金屬材料的組織狀態(tài), 指出其熱處理工藝, 即加熱、保溫和冷卻的條件.火場金屬物證就像進行過一次熱處理, 它忠實地記錄了火場上的燃燒溫度、燃燒時間、冷卻速度等物理化學(xué)條件. 可以說, 火場金屬物證的金相組織是火災(zāi)過程的“凝固的記錄”. 分析這種“凝固的記錄”可為認定火災(zāi)原因提供依據(jù).
金相分析與其它分析方法相比的優(yōu)點: （1） 具有可重復(fù)性. 金相試樣可進行多次觀察和拍照而不影響其原貌; （2） 具有可對比性. 正常狀態(tài)下的金相組織與受熱后的金相組織之間和不同部位的金相組織之間均可進行對比; （3） 直觀性. 金相照片就是分析人員認定火因的病理照片, 就像醫(yī)生診斷病情的透視與拍片一樣直觀. 目前我國應(yīng)用金相分析技術(shù)檢驗火災(zāi)物證的主要用于, 鑒定金屬所在點的溫度; 鑒定電氣線路引起的火災(zāi); 鑒定電器設(shè)備引起的火災(zāi); 鑒定金屬材料的破壞形式.
3應(yīng)用金相分析技術(shù)鑒定火災(zāi)原因
3.1 導(dǎo)線過負荷引起的火災(zāi)鑒定
導(dǎo)線過負荷時, 除了在外觀上會出現(xiàn)絕緣層燒焦、碳化、線芯裸露以至出現(xiàn)熔化外, 其金相組織也會發(fā)生相應(yīng)的變化, 根據(jù)金相組織的變化可推測導(dǎo)線是否發(fā)生過過負荷的現(xiàn)象, 對火災(zāi)原因作出結(jié)論.導(dǎo)線的原始組織 電氣線路中使用的銅、鋁導(dǎo)線都是由純銅或純鋁拉制而成, 即經(jīng)過一定的冷變形加工, 商品狀態(tài)的導(dǎo)線為原始狀態(tài), 其顯微組織沿變形方向被拉長, 呈纖維狀, 具有明顯的方向性. 導(dǎo)線在正常通電使用狀態(tài)下, 即導(dǎo)線內(nèi)流過的電流不超過額定電流時, 其金相顯微組織并不發(fā)生變化.導(dǎo)線在過負荷狀態(tài)下的組織?。?） 當(dāng)鋁導(dǎo)線通過115 倍的額定電流時, 其顯微組織發(fā)生了變化, 出現(xiàn)了再結(jié)晶現(xiàn)象, 因為此時線芯溫度約為150 ℃, 超過了鋁的再結(jié)晶溫度（100 ℃） , 但低于銅的再結(jié)晶溫度（200 ℃） . 銅導(dǎo)線在通過2 倍的額定電流時, 其顯微組織才出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象, 因為此時線芯的穩(wěn)定溫度在300 ℃以上, 超過了銅的再結(jié)晶溫度; （2） 當(dāng)鋁導(dǎo)線通過小于215 倍的額定電流或銅導(dǎo)線通過小于3 倍的額定電流時, 其晶粒并不是很大, 若導(dǎo)線再被火燒加熱, 就會使晶粒在原來的基礎(chǔ)上再長大; 而當(dāng)鋁導(dǎo)線通過215 倍以上的額定電流或銅導(dǎo)線通過3 倍以上的額定電流時, 其晶粒已長得相當(dāng)大, 即使再被火燒加熱,其晶粒長大已比較困難. 銅、鋁導(dǎo)線在通過不同電流時的顯微組織變化。
導(dǎo)線過負荷熔痕的金相鑒定 導(dǎo)線在過負荷嚴重的情況下, 即鋁導(dǎo)線流過2 倍以上額定電流或銅導(dǎo)線流過215 倍以上額定電流時, 除導(dǎo)線的絕緣層燃燒外, 還會產(chǎn)生線芯過熱熔斷現(xiàn)象, 在熔斷處或?qū)Ь€上留下幾種不同形狀的熔痕. 但由于過負荷熔痕有時酷似火燒熔痕, 從外觀上難以認定, 為此要用金相分析方法做出結(jié)論. 火燒熔痕的金相組織呈粗大的等軸晶, 而過負荷電流所造成的熔痕其金相組織有兩種: （1）在導(dǎo)線熔斷處形成的圓珠狀或尖狀熔痕, 其金相組織呈晶界粗大的胞狀晶, 銅導(dǎo)線在晶界處有（Cu +Cu2O） 的共晶組織, 近似于延時短路（即短路持續(xù)時間略長） 形成的熔痕的金相組織; （2） 在導(dǎo)線表面形成的顆粒狀小結(jié)疤痕, 其金相組織呈密細的胞狀晶, 近似于短路熔痕的金相組織, 有時也與（1） 的金相組織相同. 雖然外火作用在導(dǎo)線上也出現(xiàn)類似小結(jié)疤的熔痕, 但其金相組織為粗大的等軸晶.
過負荷導(dǎo)線的金相鑒定,當(dāng)在導(dǎo)線上找不到熔痕而又懷疑火災(zāi)是由導(dǎo)線過負荷引起時, 應(yīng)在該有負荷線路上的一段沒有受到過火燒或火災(zāi)熱作用的導(dǎo)線作金相分析. 如果沿導(dǎo)線全長出現(xiàn)均勻的再結(jié)晶時, 則可認定為是導(dǎo)線過負荷所致; 如果沿導(dǎo)線全長在著火部位出現(xiàn)再結(jié)晶, 而非著火部位沒有出現(xiàn)再結(jié)晶時,則可認定為是火燒所致, 并可排除導(dǎo)線過負荷引起火災(zāi)的可能.
3.2 導(dǎo)線短路引起的火災(zāi)鑒定
導(dǎo)線短路形成的熔痕可分為兩種, 一種是在發(fā)生火災(zāi)之前短路而形成的, 可能是引起火災(zāi)的點火源,稱為一次短路熔痕; 另一種是著火之后, 火災(zāi)火焰或火災(zāi)熱使導(dǎo)線絕緣破壞后而形成的, 不是引起火災(zāi)的點火源, 稱為二次短路熔痕.
火燒熔痕與短路熔痕的金相鑒定 由于這兩種熔痕形成的條件不同, 它們在金相組織上就存在著差異. 火燒熔痕與短路熔痕在金相組織上的不同主要有:
（1） 在發(fā)生短路時, 短路點處熔化一個小熔池, 然后結(jié)晶成鑄態(tài)組織. 短路熔痕鑄態(tài)組織的形成不同于一般的情況, 它的主要特點是瞬間在相當(dāng)大的過冷度和冷卻速度下形成的. 在這種冷卻條件下, 短路熔痕生長成以柱狀晶為主的細小組織. 火燒熔痕結(jié)晶時的環(huán)境溫度為火災(zāi)溫度, 它的冷卻速度比較緩慢, 過冷度比較小, 因此火燒熔痕的金相顯微組織呈粗大的等軸晶粒.
（2） 導(dǎo)線被火燒熔化時, 往往在導(dǎo)線中心仍保留有未熔化的金屬, 而短路電流的熱作用是在導(dǎo)線內(nèi)部,因此在整個導(dǎo)線的橫斷面上呈現(xiàn)全部熔化的痕跡.
（3） 火燒熔痕除了充分地吸收周圍環(huán)境中的氧氣而起氧化反應(yīng)外, 大部分的氣體都被逸出體外. 因為火災(zāi)現(xiàn)場的溫度很高, 因此冷卻速度相當(dāng)緩慢, 凝固過程較長. 這樣, 金屬熔化時, 溶解的氣體有充分的逸出時間, 所以, 火燒熔痕的金相組織除了呈粗大的等軸晶外, 金相磨面是光滑的, 組織內(nèi)幾乎沒有氣孔存在. 短路熔珠因在2 000 ℃以上的高溫下形成, 在形成時冷卻速度快, 過冷度大, 凝固過程極短, 因此, 金屬在熔化時所吸收的氧氣等還沒有來得及與金屬充分反應(yīng)和逸出時, 就被截留在內(nèi)部組織中. 所以短路形成的熔痕金相組織除了呈細小的柱狀晶外, 金相組織內(nèi)有較多的氣孔存在.
（4） 火燒熔痕附近導(dǎo)線的組織呈明顯退火組織, 表現(xiàn)為晶粒粗大, 而短路熔痕附近導(dǎo)線的組織往往因高溫作用時間短, 仍表現(xiàn)為塑性變形后的纖維組織.
一次短路熔痕與二次短路熔痕的金相鑒定 兩種短路熔痕在外觀上沒有明顯差別, 但由于二者產(chǎn)生的外界環(huán)境不同, 因此, 在它們各自形成的短路熔痕中便留下了可以區(qū)別的微觀特征.
（1） 一次短路熔痕的顯微組織大都是由細小的柱狀晶組成, 而二次短路熔痕的顯微組織都是由等軸晶組成, 且被很多氣孔分割, 出現(xiàn)較多粗大晶界, 在多數(shù)情況下, 看不到與一次短路熔痕相同的細小柱狀晶組織. 產(chǎn)生這種顯微組織差別的原因是兩種短路熔痕從液態(tài)結(jié)晶時以及結(jié)晶后所處的環(huán)境溫度不同所致.當(dāng)熔痕從液態(tài)結(jié)晶時, 由于一次短路熔痕結(jié)晶時的環(huán)境溫度為正常氣溫, 而二次短路熔痕結(jié)晶時的環(huán)境溫度為火災(zāi)溫度, 所以兩者在結(jié)晶時的冷卻速度有著較大的差別, 從而使結(jié)晶時的過冷度也存在著明顯的差異. 即一次短路熔痕比二次短路熔痕的冷卻速度要大一些, 過冷度也大一些, 因此, 一次短路熔痕的顯微組織以柱狀晶為主, 而二次短路熔痕的顯微組織以等軸晶為主, 熔痕的晶粒也比一次短路熔痕的晶粒粗大.
（2） 一次短路熔痕內(nèi)部氣孔少而小; 二次短路熔痕內(nèi)部氣孔多而大. 一次短路熔痕由于其形成的環(huán)境溫度低, 冷卻速度快, 凝固過程短, 雖被截留在熔痕內(nèi)的氣體較多, 但由于它是在燃燒產(chǎn)物和水蒸氣等很少的環(huán)境中形成的, 所以, 一次短路熔痕內(nèi)部的氣孔總是又少又小. 二次短路熔痕是在火災(zāi)中形成的, 因火場溫度高, 冷卻速度慢, 凝固過程長, 雖析出的氣體較多, 但由于火災(zāi)環(huán)境中存在著大量的灰塵、雜質(zhì)和各種燃燒產(chǎn)物, 以及受火災(zāi)熱作用而蒸發(fā)的水蒸氣等, 因此, 二次短路熔痕內(nèi)部的氣孔總是又大又多.
（3） 對于銅導(dǎo)線, 一次短路熔痕氣孔周圍的（Cu + Cu2O） 共晶體較少, 不太明顯; 而二次短路熔痕氣孔周圍（Cu + Cu2O） 共晶體較明顯. 這是由于一次短路熔痕是在正常環(huán)境下形成的, 外界環(huán)境溫度低, 冷卻速度快, 過冷度大, 凝固時間短及空氣中的水蒸氣少, 故氧氣的溶解量少, 還沒有來得及與銅充分反應(yīng)產(chǎn)生Cu2O 時, 就被析出組織之外, 所以一次短路熔痕氣孔周圍生成的（Cu + Cu2O） 共晶體很少, 而二次短路熔痕是在火災(zāi)條件下形成的, 因外界環(huán)境溫度高, 冷卻速度慢, 過冷度小, 凝固時間長, 再加上空氣中的水蒸氣多, 氧與銅的反應(yīng)增加, 又因氣孔周圍的晶粒缺陷較多, 氧得以沿晶深入, 故生成的（Cu + Cu2O）共晶體的量也相應(yīng)地增多, 比一次短路熔痕更為明顯.
（4） 一次短路熔珠過渡區(qū)（熔珠與導(dǎo)線銜接處） 有較明顯的界限; 而二次短路熔珠過渡區(qū)界限不明顯. 兩者如果在火場的火焰中繼續(xù)受高溫加熱時, 二次短路熔珠過渡區(qū)的界限更加犬牙交錯和紊亂, 在大晶界內(nèi)的原始柱狀晶已模糊不清; 而一次短路熔珠的顯微組織雖然由細小的柱狀晶相互吞并聚集長大, 但在大晶界內(nèi)仍然存在著柱狀晶的痕跡, 過渡區(qū)的界限依然比較明顯. 一次短路熔珠在形成時, 因環(huán)境溫度較低, 整個導(dǎo)線的金相組織為加工時的狀態(tài). 在短路瞬間, 除短路點處于高溫狀態(tài)下外, 整個導(dǎo)線的溫度并不高, 其金相組織仍呈方向性, 所以溫度過渡區(qū)的界限比較明顯, 如果繼續(xù)在火場的火焰中不斷加熱,過渡區(qū)域加工狀態(tài)的金相組織雖隨著溫度的升高而再結(jié)晶變?yōu)榇执蟮牡容S晶, 以及在短路熔珠內(nèi)的細小柱狀晶也發(fā)生了晶粒長大, 但過渡區(qū)域的界限仍然比較清楚. 而二次短路熔珠在形成之前, 因火災(zāi)的高溫作用, 整個導(dǎo)線的溫度比較高, 因此, 除短路點處于高溫狀態(tài)下外, 在短路點附近的溫度也比較高, 所以過渡區(qū)域的界限比較模糊. 如果也在火焰中不斷加熱, 則在短路熔珠內(nèi)比較粗大的柱狀晶和在過渡區(qū)域內(nèi)比較粗大的等軸晶都將繼續(xù)長大, 從而使過渡區(qū)域的界限和柱狀晶的殘痕更加犬牙交錯和模糊不清.
4結(jié) 語
實現(xiàn)礦井火災(zāi)原因鑒定從宏觀的經(jīng)驗認定到微觀的技術(shù)鑒定的轉(zhuǎn)變, 需要應(yīng)用和發(fā)展大量的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與設(shè)備, 金相分析技術(shù)僅是其中之一. 煤礦井下幾乎*的金屬設(shè)備、金屬構(gòu)件、電氣設(shè)備與線路, 決定了采用金相分析技術(shù)鑒定礦井火災(zāi)原因的適用性和實用性, 根據(jù)我國消防領(lǐng)域應(yīng)用金相分析技術(shù)的經(jīng)驗和本文的論述, 采用金相分析技術(shù)鑒定礦井火災(zāi)原因可以在以下方面得出明確的結(jié)論:
（1） 金屬物證所在點所經(jīng)歷的zui高溫度、升溫速度、zui高溫度持續(xù)時間及降溫、冷卻條件;
（2） 電氣線路和電氣設(shè)備是否是礦井火災(zāi)或爆炸事故的引火源;
（3） 鑒定金屬材料、容器的破壞形式及作用.
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