Study on Element Segregation and Grain Distribution Characteristics of Aluminum and Copper Wire Melting Marks

MEN Tengteng, LIU Shushuai, LIU Haixu, WANG Yongming

Forensic Science and Technology ›› 2024, Vol. 49 ›› Issue (6) : 626-632. DOI: 10.16467/j.1008-3650.2024.6024
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Study on Element Segregation and Grain Distribution Characteristics of Aluminum and Copper Wire Melting Marks

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Abstract

Through electron microprobe element analysis and electron backscatter diffraction analysis, a study was conducted on the micro-area element segregation and grain distribution morphology of aluminum and copper wire melting marks caused by fire and short circuits. The results showed significant iron element segregation in both fire-induced and short-circuit-induced melting marks of aluminum wires, but with different distribution patterns: iron elements formed coarse ring-like structures in fire-induced marks, while they appeared as elongated chain-like structures in short-circuit-induced marks. For copper wires, both fire-induced and short-circuit-induced melting marks exhibited oxygen element segregation, with distinct oxide morphologies: oxides in fire-induced marks were concentrated and mainly appeared as elongated rod-like or point-like structures, whereas in short-circuit-induced marks, they were dispersed and mainly spread in a network-like pattern. Additionally, there were notable differences in grain distribution and orientation between fire-induced and short-circuit-induced melting marks of both aluminum and copper wires. Fire-induced marks were dominated by coarse equiaxed grains or dendrite-like structures, while short-circuit-induced marks were mainly characterized by coarse columnar grains. It is worth noting that grain growth in short-circuit-induced marks exhibited a clear preferential orientation, whereas no such preference was observed in fire-induced marks.

Key words

aluminum wire melt marks / copper wire melt marks / grain distribution / micro area component / failure analysis

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MEN Tengteng , LIU Shushuai , LIU Haixu , WANG Yongming. Study on Element Segregation and Grain Distribution Characteristics of Aluminum and Copper Wire Melting Marks. Forensic Science and Technology. 2024, 49(6): 626-632 https://doi.org/10.16467/j.1008-3650.2024.6024
随着科技发展与社会的进步,各类用电器在工业生产与日常生活中所占的比例逐年提升。用电器的老化或线路损坏,无形中增加了电气火灾的发生概率[1]。不论何种因素造成火灾事故的发生,灾后事故鉴定的准确性与有效性均是判定事故责任划分[2]、保护国家和人民利益的关键。微量物证分析技术在法庭科学中发挥着至关重要的作用[3],其中金相分析是已列为国家标准的电气火灾痕迹鉴定方法[4-5]。尽管金相分析技术在火灾事故分析中应用非常成熟,在火灾事故鉴定中起到了至关重要的评估作用,但因火灾事故现场的多发性与复杂性,此类方法存在以下缺点:一是鉴定误差较大,很难准确判定火灾诱因;二是科学性依据较差,很难形成科学系统的评估方法。基于此,探索更为精准的研究方法,形成系统科学的鉴定理论是推动电气火灾事故鉴定技术发展的关键因素。研究者尝试用更为先进的分析技术代替金相分析技术,试图更好地表征火灾熔痕特点,用以完成更为精准的火灾诱因判定。其中包括彩色金相技术[6]、扫描电镜分析熔痕形貌技术[7]、能谱仪分析熔痕成分技术[8]、拉曼光谱分析技术[9]等,此类先进技术均为火灾熔痕的鉴定提供了更为科学的判断依据。但以上方法大多数从单一形貌或成分分析角度以及物相结构角度对导线熔痕进行研究,极少借助成分偏析与晶粒分布规律联动的方法进行熔痕特征规律的研究。目前,研究者多采用金相分析技术解析火灾熔痕晶粒的变化规律[10-12],而采用能谱分析技术作为火灾熔痕微区成分偏析研究的方法[13-14]。随着表征技术的飞速发展,背散射电子衍射分析技术已逐步在材料晶体结构研究中广泛应用。同时,基于更高的能量分辨率以及更好的探测极限,电子探针分析技术已然成为材料微区成分分析领域的利器。从冶金角度及氧化过程分析,火焰燃烧时导线的断裂失效与短路大电流造成的过载失效均是受热与氧化复杂过程,在两种不同的作用机制下,导线的受热与氧化行径必然存在明显不同,势必诱发熔痕组织结构、成分偏析以及氧化程度的差异。因此,本文利用背散射电子衍射分析技术与电子探针分析技术,研究典型铜、铝导线的火灾熔痕晶粒分布与成分偏析特点,以期提供一种科学有效的火灾熔痕鉴定新思路。

1 试样制备与实验方法

1.1 试样的准备

分别选用直径为2.5 mm2的紫铜导线(w〔Cu 〕≥99.95%)与铝合金导线(w〔Fe〕≤0.5%,微量元素Fe是由于铸造过程中铁质坩埚、容器等引入)作为试验材料。
短路熔痕均使用中国人民警察大学自主设计的电气火灾故障模拟装置实施,该装置由电源柜、控制柜以及燃烧柜组成,电源柜输出电压范围为0~660 V(50 Hz,精度为1 V),电压采集频率为1.5×10-4 Hz,工作电流30 A。火烧熔痕使用酒精喷灯直接加热铜导线(其中火焰温度约为1 000℃),直至导线端部熔化,并在玻璃器皿中冷却至室温后收集使用。为了确保实验数据的稳定性,每组实验准备三个平行试样,并对其中稳定存在的规律特点进行精细表征。

1.2 电子探针与背散射电子衍射分析样品的制备

分别取铜导线熔痕与铝导线熔痕,利用亚克力粉对导线熔断头实施冷镶嵌,然后使用金相砂纸对镶嵌后的材料进行打磨,使用的金相砂纸依次为200#、600#、1500#;随后使用机械抛光机对打磨好的样品进行抛光,依次选用2 μm与0.5 μm的金刚石抛光剂进行粗抛与细抛。最后,利用振动抛光装置,使用50 nm的SiO2悬浮液对机械抛光后的样品进行处理,其中振幅50 %,频率45 Hz,抛光时间3 h,振动抛光完成后,使用去离子水清洗表面,并利用高压气枪(气压0.4 Mpa)迅速去除样品表面残留纳米SiO2悬浮液。

1.3 电子探针与背散射电子衍射分析

使用牛津公司Nordly Max3型背散射电子衍射分析设备进行导线熔痕晶体结构表征。其中,加速电压为20 kV,束流10 nA左右,样品倾转70°。随后,使用牛津公司EBSD后处理软件AztecCrystal对测试结果的晶粒取向分布以及晶粒分布进行分析。
使用日本电子公司JXA-8530F Plus场发射电子探针对熔痕元素偏析分布进行研究。其中,加速电压15 kV,束流20 nA。

2 结果与分析

图1a为此次实验采用原始铜导线的晶粒取向分布图,从图中可以看出,原始铜导线以尺寸较小的等轴晶分布为主。图1b图1c分别是原始铜导线中元素铜面分布结果与元素氧面分布结果。从图中可以看到,原始铜导线中并不存在氧元素的偏析分布。
Fig.1 Grain and elemental distribution results of the copper wire base material

图1 铜导线母材的晶粒分布与元素分布结果

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图2a为此次实验采用原始铝导线的晶粒取向分布图,从图中可以看出,原始铝导线以等轴晶分布为空。图2b图2c分别是原始铝导线中元素铝与元素铁的面分布结果。从图中可以看到,铁元素在原始铝导线中存在偏析,并以条带状形态分布。
Fig.2 Grain and elemental distribution results of the aluminum wire base material

图2 铝导线母材的晶粒分布与元素分布结果

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图3(a、b、c)分别对应同组三个平行试样中铜导线火烧熔痕晶粒形态分布图,从图中可以看出,铜导线火烧熔痕中晶粒形态均呈现粗大等轴晶或枝晶分布的特点。
Fig.3 Grain distribution results of the fire-burned melt marks on copper

图3 铜导线火烧熔痕的晶粒分布结果

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图4(a、b、c)分别对应同组三个平行试样中铜导线短路熔痕晶粒形态分布图,从图中可以看出,铜导线短路熔痕中晶粒形态均出现粗大柱状晶分布的特点,并且在同一熔痕中,柱状晶多沿相同或相近方向择优生长。
Fig.4 Grain distribution results of short-circuit melt marks on copper wire

图4 铜导线短路熔痕的晶粒分布结果

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本文将以典型铝、铜导线火烧熔痕与短路熔痕晶粒分布形态及其微区元素分布的研究为例,进一步阐明不同火灾诱因下熔痕晶粒形态与元素偏析的特点。

2.1 铝导线火焰熔痕与短路熔痕元素偏析行为分析

图5图6分别是典型铝导线火烧熔痕与短路熔痕元素偏析分布结果,从图中可以看出,两种熔痕中元素Fe均存在明显偏析分布(图5c图6c)。由于Fe元素在铝合金中的溶解度较低,在火焰燃烧或者短路大电流热量的作用下,Fe元素向晶界迁移,最终造成Fe元素在铝合金熔痕中的明显偏析。从氧元素的分布状态来看,虽然两种熔断过程中铝与氧的反应机制不同,但氧元素的分布并未存在明显差异(图5d图6d)。这是由于氧元素在铝合金中的溶解度较低所致。从图5c图6c中可以看出,火烧熔痕与短路熔痕中铁元素的分布形态差异较大。火烧熔痕中铁元素的分布较为稀疏,并且形成完整的环状结构,而短路熔痕中铁元素分布密集,且呈现条带状分布的态势。这说明两种热源作用对铁元素的扩散迁移影响较大。
Fig.5 Elemental segregation distribution of fire-burned melt marks on aluminum wire

图5 铝导线火烧熔痕元素偏析分布

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Fig.6 Elemental segregation distribution of short-circuit melt marks on aluminum wire

图6 铝导线短路熔痕元素偏析分布

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2.2 铝导线火焰熔痕与短路熔痕元素晶粒分布形态分析

晶粒取向分布图主要用来观察结晶材料晶粒的分布形态及大小。分布图中不同颜色代表取向不同的晶粒,若取向完全或基本一致,则被判定为一个晶粒。利用电子背散射衍射可以更精准地分辨结晶材料中的晶界,以及不同晶粒的尺度,从而更好地表征结晶材料的晶粒分布特点。而极图是不同晶粒取向在某一赤道面(投影面)的分布结果,根据极图的分布形式,可以清晰地判断晶粒生长是否有择优取向的分布。投影图分布较为杂乱,说明材料本身没有择优取向,不存在明显织构;分布较为规整,说明材料中本身存在择优取向,织构分布明显。
图7a图7b分别是典型铝导线火烧熔痕与短路熔痕的晶粒取向分布与极图分布结果。从图7a中可以看出,火烧熔痕晶粒形态主要以粗大等轴晶分布为主,晶粒尺寸远大于母材晶粒。从图7b铝合金的极图分布中可以看出,火烧熔痕中不存在明显的织构现象,晶粒取向分布较为杂散。从图8中短路熔痕的形貌可以看出,短路熔痕晶粒相比火烧熔痕尺寸略小,且晶粒形态以柱状晶分布为主。进一步地,从铝导线短路熔痕的极图结果中,可以看到明显的{100}//X织构分布特点,从而说明短路熔痕中晶粒生长存在明显择优取向。
Fig.7 Typical orientation distribution (a) and polar chart (b) of fire-burned melt marks on aluminum wire

图7 典型铝导线火烧熔痕取向分布图(a)与极图(b)

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Fig.8 Orientation distribution (a) and pole figure (b) of short-circuit melt marks on aluminum wire

图8 铝导线短路熔痕取向分布图(a)与极图(b)

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2.3 铜导线火焰熔痕与短路熔痕元素偏析行为分析

图9图10分别是铜导线火烧熔痕与短路熔痕元素偏析分布结果。从图中可以看出,两种典型熔痕中氧元素均存在明显偏析分布。从图9a中的背散形貌中可以看出,在火烧熔痕中,氧化物的分布形态以颗粒状或流线状散布在基体铜中。从图10a中的背散形貌中可以看到,在短路熔痕中,氧化物的以网状形态分布在铜基体中,且氧化产物的形态更为细小。由此可以看出,两种熔断条件下,铜基体与氧元素的接触状态与接触时间存在明显差异,最终导致氧化物的偏析形态和数量存在差异。
Fig.9 Elemental segregation distribution of fire-burned melt marks on copper wire

图9 铜导线火烧熔痕元素偏析分布

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Fig.10 Elemental segregation distribution of short-circuit melt marks on copper wire

图10 铜导线短路熔痕元素偏析分布

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2.4 铜导线火焰熔痕与短路熔痕元素晶粒分布形态分析

图11a图11b分别是铜导线火烧熔痕晶粒取向分布与极图分布结果。从图中可以看出,在晶粒分布形态上,两者的分布规律与铝导线异曲同工。铜导线火烧熔痕晶粒形态主要以粗大等轴晶分布为主,晶粒尺寸远大于母材晶粒;并且,从极图中可以看出,铜导线的火烧熔痕中也不存在明显的织构现象,晶粒取向分布较为杂散。而从图12a中短路熔痕的晶粒取向分布形貌中可以看出,铜导线短路熔痕晶粒相比火烧熔痕尺寸略小,且晶粒形态也以柱状晶分布为主。并且,从图12b铜导线短路熔痕的极图分布结果中,可以看到明显的{100}//Y织构分布的分布特点,说明铜导线短路熔痕的晶体亦存在明显择优生长的特点。
Fig.11 Orientation distribution (a) and pole figure (b) of fire-burned melt marks on copper wire

图11 铜导线火烧熔痕取向分布图(a)与极图(b)

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Fig.12 Orientation distribution (a) and pole figure (b) of short-circuit melt marks on copper wire

图12 铜导线短路熔痕取向分布图(a)与极图(b)

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3 综合分析与结论

导线熔断过程的理论模型,从金属材料的冶金方向作为出发点进行思考,材料成分与受热状态是影响导线熔断过程中成分偏析与晶粒形态变化的两个关键因素。对于铝导线来说,由于铁元素在铝合金中溶解度较低的缘故,铝合金导线本身就存在一定程度上的晶界偏析。在经受火烧或者大电流短路熔断后,偏析元素Fe会随着晶界的迁移而发生迁移。同时,晶界的迁移也会带来晶粒分布形态与晶体取向分布状态及晶粒择优生长的影响,因此,铝合金火烧熔痕与短路熔痕中同时存在Fe元素偏析与晶体结构的差异化分布。对于铜导线来说,商用铜导线一般为纯铜,几乎不存在微量元素的偏析,所以在受热过程中也不会出现微量合金元素偏析的情况。但由于纯铜抗氧化性较差,相较于短路熔痕,火烧熔痕经受热源加热的时间较长,从而增加高温状态下熔痕与空气中氧气的接触时间,继而氧化程度更为明显。造成铜导线火烧熔痕与短路熔痕晶粒分布状态与取向分布差异的原因相似,都是由于在不同热源作用状态下,晶粒的择优生长导致。因而,本质上来讲,元素偏析行径的研究与晶体结构的研究都是为了从根源上寻找火烧抑或短路热源在导线熔痕上出现的痕迹,更好地对导线从正常服役直到可能熔断失效过程中经受的热源进行痕迹判定。因此,铝导线和铜导线火烧熔痕与短路熔痕的主要区别包括以下三点:1)铝导线火烧熔痕与短路熔痕中均存在明显的铁元素偏析,但偏析的分布状态存在明显差异。2)铜导线火烧熔痕与短路熔痕存在明显的氧元素偏析,同时,偏析的形态存在明显差异。3)铝导线与铜导线火烧熔痕与短路熔痕的晶粒分布及取向均存在明显差异,火烧熔痕中以粗大等轴晶分布为主,而短路熔痕中以细长柱状晶分布为主。

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摘要
近年来,具有重大社会影响的火灾、爆炸、矿难等生产安全责任事故时有发生。由于伤亡人数众多,此类事件极易引起社会关注,如何科学、高效地还原事件经过,考验着每一名刑事技术人员。2017年11月18日,北京市大兴区西红门镇发生重大火灾。刑事技术人员通过细致勘查发现冷库间内电气线路故障,准确提取冷库间墙面保温材料,使用气相色谱/质谱联用仪进行比对检验,迅速确定起火原因。墙面保温材料中释放出的五甲基二乙烯三胺与空气混合,在密闭空间内达到爆炸极限,遇包埋在聚氨酯保温材料内的电气线路短路发生爆炸。装修材料中挥发性有机物的爆炸比较罕见,总结刑事技术人员在微量物证现场勘查及检验鉴定中的工作经验,可以为以后类似案事件的处置提供重要参考。
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