Методика подготовки микрошлифа для исследования оплавления медных проводников

№95-1,

технические науки

В данной статье представлена поэтапная методика подготовки микрошлифа оплавлений медных проводников для исследования из микроструктуры с целью определения причины пожара. Также представлены фотографии микроструктур медных проводников, которые характерны для первичного короткого замыкания.

Похожие материалы

В наш высокотехнологичный век пожары в жилых, общественных и промышленных зданиях, случаются достаточно часто. С появлением огромной номенклатуры новых и зачастую горючих материалов, применяемых в строительстве и отделке зданий тушить пожары становиться все сложнее. Помимо использования горючих материалов в строительной отрасли, стремительно растет и этажность возводимых зданий и сооружений. Но не следует забывать о ветшании уже существующего жилого фонда и о использовании до сих пор в жилых домах печного отопления. Все выше перечисленные причины значительно усложняют обстановку с пожарами в нашей стране. Если распределить все пожары по основным причинам их возникновения, то 29,5% всех пожаров приходится на аварийную работу электрооборудования. Проще говоря, треть всех пожаров в стране происходит из-за первичного короткое замыкание (ПКЗ) в электроприборах. После тушения пожара в обязательном порядке организуется расследование причин данного происшествия. Расследованием причин возникновения пожаров занимается эксперт испытательной пожарной лаборатории (ИПЛ) МЧС России. Найти улики после пожара вещь очень непростая. Поэтому успех расследования причин пожара во многом зависит от профессионализма эксперта. Как говорят эксперты ИПЛ: «Всё что не уничтожит огонь, уничтожит вода, а что не уничтожит вода, уничтожат сапоги пожарного». Чтобы подтвердить или опровергнуть электротехническую причину пожара эксперту ИПЛ, вооружившись лопатой придется кропотливо искать в груде обгоревших обломков улики, которые помогут пролить свет на причину пожара. Для эксперта важно найти под завалами оплавленные токоведущие части электрической розетки, шнура или электроприборов (Рис.1а и 1б). Если такие образцы будут найдены, то они отправляются в лабораторию для дальнейшего исследования.

Фотоснимок медного проводника, изъятого с места пожара: а — общий снимок; б — детальный снимок
Рисунок 1. Фотоснимок медного проводника, изъятого с места пожара: а — общий снимок; б — детальный снимок

От медной жилы представленной на рисунке 1а диаметром 0,8 мм отделили участок с оплавлением длиной 40 мм (Рис. 1б), из которого впоследствии был приготовлен микрошлиф. Данный образец проводника поместили во фторопластовую цилиндрическую форму и залили низкотемпературным сплавом Розе (Рис. 2).

Образцы оплавленных медных проводников, залитых низкотемпературным сплавом
Рисунок 2. Образцы оплавленных медных проводников, залитых низкотемпературным сплавом

Далее производилась механическая обработка шлифа. Подготовка шлифа производилась на специальной установке для приготовления металлографических шлифов ШЛИФ 2-ТМ с применением наждачной бумаги с различным размером абразивного зерна. Полирование шлифа производилось на фланелевой ткани с применением абразивных и безабразивных полировальных паст. Поверхность шлифа полируют до зеркального блеска.

Для выявления микроструктуры шлиф подвергают химическому травлению в специально приготовленном растворе- травителе. Раствор для травления поверхности медных проводников имеет следующий состав: хлорное железо (FeCl3) — 19 г., соляная кислота (HCl) — 6 мл., дистиллированная вода (H2O) — 100 мл. Приготовленный состав наносился на поверхность шлифа с помощью ватного диска или ватной палочки, смоченной в травителе (см. Рис. 3а).

Рисунок 3 — Обработка микрошлифа: а — нанесение травящего состава на шлиф; б — просушка поверхности микрошлифа.

Далее поверхность шлифа нейтрализуется спиртом и протирается сухой ваткой или бумажной салфеткой во избежание образования на поверхности шлифа продуктов коррозии (Рис. 3б)

Сущность металлографического исследования оплавления медных проводников заключается в её свойстве растворять в расплавленном состоянии кислород и при определенных температурных условиях особым образом организовывать взаимное расположение зёрен. Дифференцирующими признаками, характеризующими момент короткого замыкания, приняты: относительное процентное содержание кислорода в микроструктуре, образующейся в структуре оплавления в виде оксида и диоксида меди (СuO, Сu2О), окрашиваемые при травлении в черный цвет, а также вид и взаимное расположение зерен меди.

Микроструктура шлифа исследуется при помощи металлографического микроскопа МЕТАМ РВ 21-1 (см. Рис. 4) при увеличении 100-400х.

Металлографический микроскоп МЕТАМ РВ 21-1
Рисунок 4. Металлографический микроскоп МЕТАМ РВ 21-1

Фотографирование микроструктуры шлифа может производиться при помощи цифровой фотонасадки или цифрового фотоаппарата. Определение количества кислорода в меди проводится с помощью эталонов микроструктур (Рис. 5, 6, 7). Фотография микроструктуры оплавления медного проводника, изъятого с места пожара представлена на рисунке 8.

Рисунок 5 — Микроструктура оплавления медного проводника. Первый тип

На рисунке 5 отчетливо видно, что на участке оплавления содержится от 0,05% до 0,39% кислорода — основу сплава составляет медь (Cu) с участками эвтектики Cu-Cu2O. Светлая основа — медь (Cu); темные участки в виде точек — эвтектическая смесь меди и оксида меди (I).

Микроструктура оплавления медного проводника. Второй тип.
Рисунок 6. Микроструктура оплавления медного проводника. Второй тип.

На рисунке 6 хорошо видно, что на участке оплавления содержится 0,39% кислорода — в данном случае сплав состоит сплошь из эвтектики Cu-Cu2O. Основу сплава составляет медь (Cu) с распределенной по всему объему эвтектикой медь — оксид меди (I).

Рисунок 7 — Микроструктура оплавления медного проводника. Третий тип.

На рисунке 7 видно, что на участке оплавления содержится более 0,39% кислорода — помимо эвтектики Cu-Cu2O в сплаве появляются кристаллы оксида меди (I) Cu2O. Основу сплава составляет медь с распределенной по всему объему эвтектикой медь-оксид меди (I).

Микроструктура оплавления медного проводника
Рисунок 8. Микроструктура оплавления медного проводника

На рисунке 8 представлена микроструктура оплавленного медного проводника. Основу сплава составляет медь с незначительными участками эвтектики. Светлая основа — медь; темные участки в виде точек — эвтектическая смесь меди и оксида меди. Содержание кислорода около 0,08%. Зерна меди сохранили после нагрева дендритное строение. Произошло перераспределение частиц оксида меди, что привело к видоизменению микроструктуры. Имеются поры. Сплав имеет четкую границу между зоной оплавления, где имеются зерна меди с дендритным строением, и литой медью (см. Рис. 8).

Следовательно, микроструктура сплава имеет признаки, характерные для оплавления, образовавшегося в результате первичного короткого замыкания (ПКЗ) (возникшего до пожара). Оплавление подверглось высокотемпературному отжигу после возникновения КЗ.

Список литературы

  1. Пучков П. В., Киселев В.В., Топоров А.В. Поведение конструкционных углеродистых сталей в условиях пожара. Современные пожаробезопасные материалы и изделия: технология, свойства, применение: сборник материалов IV межвузовского научно-практического семинара (22 мая 2014 г.) / сост. С.В. Беляев. – Иваново: Отделение организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела Ивановского института ГПС МЧС России, 2014 г.
  2. Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник/Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – 3-е изд., перераб. и доп. Репринтное издание. – М.: Альянс, 2013. – 528 с. 2013.
  3. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение Издательство: Экзамен Учебник для ВУЗов, 2009.