汽车系论文研究.doc

摘 要近年来，随着我国汽车保有量的增加以及汽车新技术的飞速发展，各种汽车已经成为家庭生活以及商务活动的重要交通工具，但由各种原因造成的车辆火灾数量也越来越多，造成车辆本身和财产严重损失以及人员伤亡。因此，加强对汽车电气火灾实验过程的研究，对提高火灾物证鉴定的准确性具有重要的意义，本文通过在汽车火灾调查中综合运用的各种手段，根据汽车火灾的特点做出正确的决定，深入研究车辆火灾原因调查过程现场查勘、提取物证、物证分析以及推理论证一系列车辆火灾鉴定工作方法和程序。研究过程中应从当前车辆火灾常见形势以及车辆火灾的调查现状入手，分析和总结车辆火灾常见现象、原因以及常规的调查取证方法，使常常规车辆火灾调查规范化、程序化、系统化。与此同时，针对常规调查方法存在技术手段单一、理念落后的缺陷，在深入研究应用于建筑物火灾分析当中，近期发展较为成熟的的金相分析、图谱分析等物证分析技术，并在利用实验室现有的条件进行实验验证，使之契合汽车火灾实际，并可以更好的应用到汽车的火灾鉴定分析之中。关键词:汽车火灾，金相分析，火灾图谱，物证鉴定 Abstract In recent years, with the rapid development of quantity increase and auto new technology to maintain our country automobile, automobile has become an important means of transportation in family life and business activities, but the number of vehicle fire caused by various reasons are more and more, causing the vehicle itself and property losses and casualties. Therefore, strengthening the research on the process of automobile electrical fire experiment, has important significance to improve the accuracy of fire material evidence identification, through various means used in automobile in fire investigation, make the right decision according to the characteristics of vehicle fires, in-depth study of vehicle fire cause investigation site survey, extract certificate, evidence analysis and reasoning a series of vehicle fire identification method and program. Starting from the current situation in the research process of vehicle fire situation and the vehicle fire, analyzes and summarizes the common phenomenon, cause fire as well as the conventional investigation method, the conventional vehicle fire investigation procedure standardization, systematization. At the same time, according to the conventional survey methods are technical means single, backward idea flaw, in-depth study of application in building fire analysis, recent analysis, more mature development of metallographic graph analysis and evidence analysis, and carry on the experiment in the laboratory existing condition, make it fit car fire, fire identification and analysis can be better applied to the car.Keyword: Vehicle fire， disasters，Metal formanalysis，Diagram measure， Material evidence authentication 第1章 研究背景和意义 1.1背景 自1999年起中国汽车工业进入高速增长期，2005年我国汽车产销量全球第三，已近400万辆此后每年约以100万辆的速度递增，根据中国汽车工业协会的统计，2009年当年的汽车产销量就双双超过1300万辆，同比增长超过46，产销量超过日本；20lO年又同比增长超过32，全球汽车保有量达到十亿辆，产销量超过美国成为汽车产消费第一大国；2011年全年汽车产销增速将在5%以下；2012年期间，我国汽车产销量分别为1503万辆和1516万辆，同比分别增长2.6%和3.12%，产销量增速同比回落33.4和31.88个百分点，预计到2020年中国汽车保有量将超过2亿辆。中国的汽车工业进入高速增长期，在促进各行各业的发展、繁荣经济、提高人民生活水平的同时，也带来了一些负面影响。统计数据表明，随着汽车总量的增加，汽车火灾的数量也呈上升趋势。据公安部消防局统计数据表明，1997-2004年我国共发生汽车火灾55632起（其中重特大火灾222起），造成692人死亡、2611人受伤，直接财产损失100135.3万元。仅2005年就发生汽车火灾10184起，直接经济损失13072.9万元。2009年全国共发生汽车火灾1.4万余起，直接财产损失超过亿元，以笔者所在的山东省省会济南市为例，汽车火灾已占到全年火灾起数的20，每年平均以30速度增加。因此，研究汽车火灾孕育发生规律及机理，对于认识汽车火灾发生的本质特征，预防和遏制汽车火灾的发生具有重要的意义。 在汽车火灾当中，引起汽车火灾的原因有很多，其中包括电器或电线路起火、燃油或润滑油泄漏、撞击引起火灾、机械摩擦起火、人为不慎失火等原因明显，火灾具有火势蔓延快、扑救难度大等特点，出现烧毁车辆，烧毁车上物品，波及车辆周边财产损失甚至造成人身伤亡等事故，给国家和人民生命财产造成严重损失。因此，如何有效预防与控制汽车火灾，已成为个人生活、消防部门、汽车相关产业、以及相关企业急需解决的重大课题。 由于汽车在有限的空间内包括了电路、 油路、气路等，还有冷却系统、空调系统、暖风系统等，运行中和运行停止后存在多个炽热区域，本身可装载一定数量的货物而且汽车属于高档消费品加之人为因素在内因此汽车具有多重火灾危险性人为纵火、物品自燃、遗留火种、电气故障、机械摩擦等火灾都有可能发生，火灾原因调查难度很大。汽车工业发达国家，如美国、日本、韩国等相关研究开展较早，有的已将汽车火灾原因调查标准化和系统化。目前，我国的火灾原因调查人员对汽车火灾的关注程度越来越高! 汽车火灾原因确认的科学研究也逐渐成熟。 汽车火灾原因调查是一项技术要求相对较高、 难度相对较大的工作，其目的是认定火灾原因，确定责任归属，解决矛盾和纠纷，减少和防止火灾的再发生，汽车火灾原因的确定对保险的赔偿、汽车的合理化设计以及公共交通安全等与之相关的敏感问题都有积极重要的意义。12我国车辆火灾原因鉴定的现状 我国对常见的由电气短路、过负载、接触不良、漏电等电气故障引发的电气火灾，主要从定性和简单的定量方法进行了论述，分析了我国电气火灾的原因。我国负责对汽车火灾原因进行鉴定的主要部门为消防机构、火灾研究机构和汽车质量原因鉴定专业机构。绝大部分汽车火灾调查工作者长久以来一直依据建筑物火灾调查方法对汽车进行火灾调查鉴定，但是，在实际工作中对汽车起火点认定、火灾物证提取以及鉴定分析方面与建筑火灾存在一定的差异，因为车辆技术状况复杂，车辆移动性强，使用条件特殊，以及燃烧后现场查勘难度大，造成财产损失严重，涉及多部门多专业的的知识，给火灾原因调查带来一定的困难，经常得出“原因不明”的火灾原因认定结论，致使种种矛盾不能及时解决。主要问题为： (1) 火查人员限于技术水平、能力或经验不足,而造成鉴定结论差错。 目前我国总体从事火灾痕迹物证技术鉴定人员不多,仅仅限于公安机关内部的科研 机构,其他科研机构及高等院校的人员由于接触火场及知识的专业性问题,技术人员少之又少,水 平 不 是很高,再有火场痕迹物证的提取以及保管、送达过程中的“二次破坏”,常常由于鉴定人技术水平、能力或经验的不足,缺乏对火场的认识,从而导致鉴定出现差错。 (2)缺乏鉴定检验的统一标准,火查人员掌握尺度不一,造成鉴定结论不一致。 在我国目前使用的电气线路设备火灾等鉴定标准中,许多是在理想状态下形成的作为判断电气火灾的依据,还有一些化学物质的鉴定,受到火灾的“一次”破坏及提取、保管的“二 次”破坏,由于鉴定人员掌握的鉴定方法、标准不同，会产生不同的结果,就增加了鉴定差错的机会。 (3) 鉴定机构多样化、鉴定水平参差不齐。目前在公安系统内的“火灾原因技术鉴定中心”主要有天津、沈阳消防研究所以及各省市公安消防机关组建的“火灾痕迹物证鉴定中心(实验室)”,这些鉴定机构设施较齐备、人员技术力量强,主要承担着我国重特大、疑难火灾的火灾痕迹物证鉴定工作,属“专业”的鉴定机构。此外,在一些未设立火灾痕迹物证鉴定中心实验室)的省市,由于经费、人员等因素,大部分的火灾痕迹物证鉴定常常是委托当地的一些科研机构或大专院校实验室来承担,这部分鉴定机构对火灾痕迹物证鉴定标准的认识理解不同和本 身鉴定技术水平、专业知识参差不齐,必然会导致鉴定结论“参差不齐”,属“业余”的鉴定机构。这必然导致火灾痕迹物证鉴定的科学性、准确性、公正性受到当事人的质疑。 因此，当前形势下的传统的汽车火灾调查工作已经不能够满足日益发展的行业需求，而应该有科学、准确的技术手段，对汽车火灾鉴定工作进行深入分析研究。需要相应的专业人员，能够了解整个汽车结构原理，汽车使用状况，汽车性能以及能够对燃烧后现场痕迹来综合分析，进而推断车辆火灾的成因，找到有力的佐证，为火灾原因进行客观公正分析，保障各方面的权益。本文对电气火灾痕迹物证鉴定十分重视对电路熔痕的鉴定，通过对火灾发生后电路导体的外观检查法来判定熔痕特性，并采用金相检验分析技术，基于微观结构，可判定铜导线的熔痕是火灾加热导致还是电流通过导体发生高热而致。以其相应的汽车金相分析技术鉴定汽车火灾原因，分析火灾根源、性质和改进相应的结构和性能提供科学依据。13国内外金相分析在火灾研究技术的进展 火灾物证鉴定中心是全国性火灾物证鉴定的专业机构，火灾物证的实验室分析在鉴定火灾原因的调查中是极为重要的组成部分，具体包括火灾现场调查的步骤、火灾现场勘查、火场物证的收集和保存、火场物证实验室分析的技术和方法，以及检验结果的解释与结论等。在火灾调查中，只有经过分析鉴定，具有证明作用的物证才能作为认定火灾原因、火灾性质和处理火灾责任者的依据和事件处理的证据。 车辆火灾的鉴定以及技术分析同建筑物的火灾分析类似，但是也存在其特殊性。车辆火灾物证分析鉴定目前主要方法有宏观鉴定法、成份分析法、微观形貌法、剩磁检测技术、模拟实验法、综合鉴定技术、金相分析法等。在借助分析仪器来对火灾现场物证分析的这个问题上，各种方法都有着自身的特点，同时火灾的种类也名目繁多，各种火灾发生后现场的残余物也是各有个的特点。所以需要根据特定的火灾现场来选择不同的分析方法。 在现有的鉴定方法中，应用最广泛的是金相分析法，其设备简易、成本低。金相分析是根据金属学原理和金属热处理原理利用金相显徽镜对火灾现场残留物中的金属材料进行显微组织特征的观察分析判断浚金属材料所选定部位在火灾现场中所受的。“热处理”状态以及残留痘迹的断裂、熔化性质应用范围较广，技术也较为成熟。 我国火调专家王希庆最早将金相分析技术的科学理论、技术方法和仪器设备运用到电气火灾原因鉴定上。在电气线路上应用金相法，是依据同种导线金属经过不同的加热、保温、冷却等一系列热处理后，根据金相组织所呈现的不同变化特征判定熔痕的成因，可以用于鉴定短路、过载、接触电阻过大、漏电、火灾热作用等产生的熔痕。它发展前景广阔，随着理论研究的深人，鉴定经验的积累，该技术将会被广大火调工作者熟练掌握并运用，成为火灾原因调查中常用的一种科学方法。苏联的X光星芒现象和美国的金相分析，主要是解决火烧与短路熔痕，但解决不了短路的一、二次熔痕的鉴定问题。而我国经过数年的研究与实践，通过运用金相分析法在解决一、二次短路熔痕，加热温度、消防射水对一次短路熔痕影响的性质问题上已有所突破。 在实际火灾现场，一般都会留有金属材料的残留物如金属构件、导线、熔珠等，提取可疑金属残留物进行金相分析，在12天内即可得出具备科学依据的鉴定结论，对火调快速、准确查明火灾原因具有重要的意义。 火灾调查中可研究和待改进的地方很多，本文在火灾痕迹物证鉴定技术方面，尝试从金相分析方法开展研究。根据以上目标，本文的研究内容和方法如下： 在全面调研了国内外电气火灾物证鉴定技术的基础上，以金相分析为切入口，论述和低压线路常见电气火灾导线熔痕相关的金属结晶的基本规律和晶粒的影响因素、金相试样制作和分析方法。开展实验研究，对铜导线进行不同温度加热，不同电流铜导线一次短路、二次短路，以及一次短路后加热，反复进行实验，得到金相图谱，同时，将实验结果与实际火灾案例分析结果进行分析比对，以验证实验设计和模拟的正确性和有效性。并总结分析归纳造成线路电气火灾故障的原因。提出采用金相定量分析方法，采用适当的图像分割方法，获取金相图中晶格结构，并对金相图中的冗余信息进行剔除，最终提取晶粒特征参数。研究不同加热条件、电流对电气火灾金相特征的影响，得到火灾环境和金相特征参数的对照关系，进而确定火灾发生的原因所在。第2章 汽车火灾特点及其分类 每一部汽车由上万个零部件组成，结构复杂、加工精密，机、电、液、化于一体，集电路、油路、气路于各部分有限空间内同时运行、同时工作，部分区域温度高，因此不同程度的增加了火灾危险性。并且在近年随着汽车保有量的增加汽车火灾数量也呈明显上升趋势。与经常见到的建筑物的火灾相比，车辆火灾与较建筑物的火灾更加复杂且起火原因更加多样化。2.1汽车火灾的特点汽车火灾不同于建筑火灾或其它的火灾，其特点为 ：1 火场时效性极强，发生在公路上的汽车火灾现场不允许长时间保留，应及时、迅速处理现场，拍照、录像及提取物证。2车内高压、低压线路密集复杂，安装空间狭小，始终处在运动、震动的环境中，容易出现意外。3汽车上的汽车燃油、润滑油、填加剂等可燃物多，车内装修、轮胎 、座椅等易燃材料很容易使火灾迅速蔓延。4车内空间有限，发生火灾几分钟内可能完全烧毁，扑救困难 。5各类汽车品种繁多，设计不同，变化很大，给火灾调查带来诸多不便 。2.2汽车火灾的分类汽车火灾基本上分为三类 ：(一 )电气故障引起的汽车火灾车内电气线路短路、电瓶漏电、线路接触不良或是油路漏油都极易导致火灾发生。案例 1：2003年 11月 9曰 15时 3O分 ，大连市金州区金汇铸钢厂的解放大货车停车卸货的过程中起火，报警后，消防人员立即赶到将 火扑灭 。经调查排除人为故意因素，通过燃烧痕迹勘察可以确定起火部位在汽车前部发动机机仓内，火调人员提取带熔痕的铜导线，经金相检测：其中一个熔痕为一次短路熔痕，其余为二次短路熔痕或火烧熔痕。由此确定此起火灾系电气线路短路造成 。有些型号汽车，曾短期内发生多起汽车火灾事故，经查大部分是电气线路短路、油路渗漏而引起的，系原设计存在结构性缺欠所致，应引起注意。图2.2 货车车头处线路短路引发火灾(二 )为骗取保险金而伪造交通肇事的汽车火灾。为了骗赔而故意造成的汽车火灾是一种违法行为，近年来此类案件越来越多。这类汽车火灾隐蔽性大，调查起来比较困难。其特点往往是：多为独立事故；发生在人流、车流较少的僻静处，无见证人；时间大都发生在夜里或凌晨：行车速度不快，一般远低于肇事驾驶员所供述的车速，撞车痕迹不严重，损害不大，极少有驾驶员受伤。保险时间短，保额与实际车价比相对偏高。案例 1：2002年11月16日23时许，一辆卡迪莱克 49V8轿车撞在一堵石墙上着火，火调人员现场勘察发现存在诸多疑点：汽车行驶的速度不快，实际行驶的速度大大低于驾驶员所供述的速度；撞车痕迹不严重，车前部水箱散热片受损程度不大，发动机完好，这种程度的撞击很难引起火灾 ：车厢内燃烧程度重于发动机仓 ；后座燃烧程度重于前排坐 ，通过燃烧痕迹可以确定起火部位不在发动机仓内。火因调查人员提取了导线熔痕及车前、后排座位处的燃烧残留物和车窗玻璃上的烟尘送检。 金相分析结果：送检的导线熔痕均为二次短路熔痕，排除了电气火灾的可能性。 而理化检测结果 ：在副驾驶位置地面、副驾驶后座车门边电线、车门玻璃和车门夹缝提取的残留物中检出柴油成分，从而确定了放火嫌疑。刑警介入后传讯该车驾驶员，通过询问及测谎仪测谎，也发现很多疑点，虽然驾驶员始终不承认是故意放火骗取高额保费，但车主最终放弃保险赔偿要求。(三 )故意纵火引发的汽车火灾案例 1：2003年 3月 7日 4时 2O分 ，大连市消防调度指挥中心接到大连公共汽车联营公司仲夏路停车场发生火灾的报警电话，消防人员于4时27分到达现场 ，4时50分将大火扑灭。由于车与车之间停靠的距离太近，致使5辆双层大客车被烧毁，另外3辆也不同程度烧损，造成一条公共客运路线不能正常运行，社会影响很大。大连市有关领导亲临现场，要求迅速查明火灾原因。经查 ：起火车辆均 为南京客车厂生产的金陵牌双层大客车，柴油发动机，加注 2O号柴油 ，起火时为 56级偏北风，气温为摄氏零下 3。通过对起火车辆燃烧痕迹勘察，确定停于中部的两台大客车为起火部位。通过现场勘察和调查询问，排除车辆内有自燃物质引燃大客车的可能。由于起火车辆烧损严重，依靠现场燃烧痕迹无法确定火灾原因。需要通过技术手段对火场残留物进行火灾物证鉴定。火调人员根据起火车辆燃烧痕迹、烟熏痕迹和车辆、轮胎、车体燃烧情况等相互关联的特征，对火场残留物有规则地提取了多个检材送检。痕迹和金相分析结果 ：火场提取的铜导线熔痕均为二次短路熔痕和火烧熔痕。排除电气线路引发火灾的可能。化学分析和仪器分析结果： 火场中的高分子材料、木材、橡胶等燃烧时会产生烧残物，影响鉴定结果。我们对车的坐垫、车轮胎及车场沥青地面的烧残物是否对检材有干扰做了实验，与检材比对，证明车的坐垫、车轮胎及车场沥青地面均不干扰汽油的检测。理化检测结果：火场残留物中检出汽油成分 (停车场内所有的车均为柴油车 )。火调人员据此鉴定结果和火场的实际情况确定是一起纵火案件。第3章 汽车火灾原因分析 3.1电气故障引发汽车火灾的原因汽车电气火灾通常指因电气故障引发的汽车火灾!即由于汽车自身的电气线路和电气设备等发生故障而引发的汽车火灾。由于汽车电气系统十分复杂!各系统装置发生故障的原因各不相同!所以引发火灾的原因也多种多样。因电气故障引发汽车火灾的原因主要有：汽车电气线路或设备发生的短路接触不良过负荷和漏电等。 3.1.1电气线路接触不良 接触不良使接触电阻过大，产生局部过热进而引发火灾，此现象是一种长期恶性循环造成的结果。接触不良产生的原因主要有以下几点：1、 在电气线路之间电气线路与用电设备及其他接插件连接处，由于表面接触松动或长期在使用过程中的电腐蚀作用，金属的蠕变性造成接触电阻过大，使局部过热而引起着火。二、是技术人员在对汽车电气线路及设备的安装改造时，可能造成各种接头处有松动或线路上有断线处!易出现打火。三、汽车在平时的颠簸振动中很容易造成接头处的松动，当汽车在行驶时，松动的接头或线路断头处受到振动，就会引起瞬间通断，此时在接头处将出现连续打火现象，而且温度会很快升高至在几分钟内就会导致接头处部分金属熔化或因火花作用点燃周围可燃物质起火成灾。3.1.2电气线路过负荷 汽车因线路过负荷引发火灾一般是由于线路实际的负载超过其额定负载引起整条线路发热线路外绝缘的燃烧或破损进而引起线路间的短路点燃周围可燃物质引发火灾，汽车的内部装饰使得电器设备和装置相对增加（如大功率音响设备、自动报警系统、自动门等）在增加这些设备时由于接线位置不正确或接线不规范等原因经常造成部分线路的过载留下了火灾隐患。3.1.3电气线路漏电短路 汽车在行驶过程中的颠簸、振动易造成车内线路间的相互摩擦加上车内温度、湿度等因素的影响很容易造成车内电气线路绝缘层的自然老化或破坏可能发生漏电或线路间短路的现象引起可燃物的燃烧起火成灾。例如某施工现场挖掘机的工具箱内存放的镰刀由于振动将线路的绝缘破坏镰刀与线路间发生漏电引燃了工具箱内的可燃物而发生了火灾。3.1.4车辆电器设备故障火灾 目前车辆均装有大量的电器设备，用以保证车辆启动，行驶以及方便司机，乘客用电等。此类电气多数为出厂后，车族自行选择安装，若安装不当，维修不及时，易电器损毁、短路等故障，并可能引起火灾容易引起车辆火灾饿电器部件，如点烟器。该部件需要较大的电量，对加热丝进行加热，加热丝达到红热后应当自行断电。如果该部件出现故障，电力系统持续对点烟器进行加热，产生的高温热能足以点燃仪表蒙皮等物质，进而引起火灾。3.2其他原因引起的火灾3.2.1.维修车辆或零件时违反操作规程引起火灾 焊接燃油箱不慎引起火灾；从油箱取油时，用火柴或打火机照明易引起火灾：直接烘烤发动机也易引起火灾；驾驶员冬季违章用明火烘烤车辆柴油箱可能引起火灾。3.2.2 机械摩擦产生的高温引发 常见的主要有：(1)由于润滑系统原因，导致变速箱、齿轮箱、传动轴、轴承等机件因为磨损造成过度摩擦，产生高温引发火灾；(2)车辆制动系统故障，轮毂与刹车装置剧烈摩擦产生高温引起火灾；(3)轮胎在充气不足或严重超载的情形下，长时问运行产生大量摩擦热，积聚在轮胎内部，致使橡胶升温，超过其自燃点而引起燃烧。3.2.3 高温部件 (1)汽车排气管、排气歧管是一个高温源，工作时其表面温度可达150900，接触一般可燃物完全可以引起火灾； （2）发动机工作不正常时从排气管内喷出的火星，在汽车底部具有可燃物时容易引起火灾；(3) 汽车催化转换器，表面温度超过300，作为高温火源能够引起一般可燃物燃烧。(4)涡轮增压器的涡轮室是典型的高温高压工作场所，故障情况下引发火灾的危险性不可忽视。 3.2.4. 人为纵火 车主为了骗取保险指使他人或亲自烧毁车辆，或者行为人为了发泄怨愤或报复采用人为纵火方式进行报复，以及窃油不慎等引发的火灾等。放火者通常使用柴油、汽油等作为助燃剂在车辆特定部位放火。例如在车顶盖上、驾驶室内及后备厢内等处实施放火。 3.2.5.物品自燃 (1)化学危险物品在运输过程中包装破损、容器倾倒等引起化学反应足以引起火灾； (2)车内放置的日用品如一次性气体打火机以及表板腊、芳香剂等有机易燃气体钢瓶，在高温季节是不可忽视的潜在火源。第4章 车辆火灾原因的金相分析鉴定4.1 金相分析和金相组织分析4.1.1金相分析的概念、主要作用及其基本原理 （1）概念：金相分析是研究金属的各种晶体结构和显微组织的一门科学和鉴定技术，其具有一定的直观性、重复性、可对比性、成本低的优点，金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。 （2）金相分析主要作用：金相分析在火灾物证检验中的主要作用有电气火灾原因的鉴别、金属材料断裂失效形式的鉴别、火场温度的鉴定等。 （3）基本原理：热处理或电路短路的不同熔痕会得到不同的金相组织，每种组织有自己的形貌特征，根据观察到的组织形貌特点，并结合所掌握的其他信息来分析材料中组织的种类和各种组织的相互排列，从而推断材料的性能情况，每种组织的耐腐蚀性也有差异，因此通过制样，腐蚀，微观组织会出现不同的衬度或者说灰度，也就是说腐蚀后的金相试样微观表面是坑坑洼洼的，很多沟壑。4.1.2金相组织分析-金相显微镜 对材料的组织形貌、晶粒度、夹杂物、缺陷及组成相进行综合分析测定，广泛应用于材料科学研究、生产检验、失效分析、优化工艺等。主要设备有金相显微镜、数字图象处理仪等进口和国产精密仪器。 可在现场对设备部件的材料成分、组织、结构、腐蚀情况、应力及分布、失效及剩余寿命进行分析评估，对不能取样、结构复杂、空间狭小、无法通过肉眼直接观察的被测设备及部件的内部缺陷、腐蚀情况等进行评价及几何尺寸定量测量。主要设备有合金分析仪、视频内窥镜、现场金相显微镜等设备仪器。 配备齐全现场测试设备的流动试验室，可以迅速、快捷地到达野外现场，为用户现场解决大多数以前需要取样送到试验室才能进行的材料检验、评价。4.2火灾导线熔痕金相分析依据和方法 金属材料在不同的受热和冷却条件下所形成的金相组织不同。火灾中的金属，随着火灾的发生，发展到最后扑灭，经历了从常温到低温再到低温的过程，受火后的金属材料相当于进行了一次热处理，其金相组织的变化必然与火灾有着内在的联系。在电气线路上应用金相法，是依据同种导线金属经过不同的加热、保温、冷却等一系列热处理后，根据金相组织所呈现的不同变化特征判定熔痕的成因，可以用于鉴定短路、过载、接触电阻过大、漏电、火灾热作用等产生的熔痕。它发展前景广阔，随着理论研究的深人，鉴定经验的积累，该技术将会被广大火调工作者熟练掌握并运用，成为火灾原因调查中常用的一种科学方法。4.2.1正常铜线的微观特征 对于正常工作状态中的铜导线在火灾中，受火焰烘烤，火焰温度高于其熔点而部分熔化形成的熔痕，称为火烧熔痕。该熔痕的金相显微组织是呈现粗大的等轴晶体，通过金相显微镜观察制作好的金相试样，其磨面光滑，很少有孔洞（如图4.1），“”指金相放大倍数。如图 4-1 铜导线的原始组织 200x 在车辆电气线路中铜导线最多，铜导线通常由9995的紫铜构成，密度为89 gcm3，熔点为1 083，具有导热性、导电性和抗磁性纯铜（紫铜），建筑电气线路分支回路截面不应小于25 mm2。由于紫铜为面心立方晶系结构，所以在其退火后易成为a等轴晶粒，紫铜的显微组织为a等轴晶粒(见图4.2)，在通电状态下仍具有规则的方向性。在受压制的过程中，等轴晶是沿着变形方向被拉长，呈现出纤维组织状,未经通电的铜导线是退火组织。金属发生塑性变形时，内部晶粒的形状也随之沿变形方向被压扁或拉长，变形度愈大，晶粒形状变化愈大。变形量很大时，晶粒变成细条状，形成纤维组织。图4-2 火烧熔痕 100x4.2.2金属晶粒的形成 金属从原子不规则排列的液体状态，逐渐过渡到规则排列的晶体状态的过程，称为结晶过程。当金属液体缓慢冷却下来时，随着时间的推移，其晶核不断长大，与此同时，液态金属中又不断地产生新的晶核并不断长大，直到晶体彼此相互接触，所以金属是由许多晶核长成的、外形不规则的晶粒和晶界所组成的多晶体。结晶完成后，还将继续散失热量，并将受到金属纯度、熔化温度、冷却条件等因素的影响。从而一般会形成晶粒形状不同的三个晶区：细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区（如图4-3）。图4.3结晶时晶粒的形成 由于火烧熔痕在其升温和冷却的速度较缓慢，所以熔痕从液态到固态的转变过程也是缓慢的，这就为晶核的形成创造了先决条件，从而它的金相显微组织就形成了粗大的等轴晶。于此同时，由于它的凝固时间长，火烧熔痕在凝固的过程中能够充分地吸收周围的氧气，而且氧气能够与较热的金属铜发生氧化还原反应，从而使被吸收的氧气得到充分地溶解，另外没有被吸收的氮气等气体有充分的时间散出，从而形成几乎没有孔洞的金相试样磨面。金属在固态时一般以晶体形式存在，每个晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间位向都不同，外形不规则，称为晶粒。晶粒之间的晶面称为晶界。晶粒尺寸很小，在放大30到1600倍的金相显微镜下所观察到的金属组织不同形状、大小、数量以及它们之间的分布状态，称为金相组织或显微组织。而宏观组织即低倍组织，指肉眼或在小于10倍放大倍数下观察金属断面上的晶体特征。4.2.3金属晶粒再结晶 再结晶过程也是通过形核与长大的过程来实现的，但只有显微组织(晶粒形态和大小）变化但无晶格结构重组。金属的再结晶温度定义为能够发生再结晶的最低温度。也就是说再结晶通常是需要在一个温度范围内完成的（再结晶退火温度为600700）。在正常的通电状态下，铜导线依旧具有明显的方向性，只有在一定时间和退火温度为200 280的条件下，其方向性才会消失。变形金属再结晶结束后，若继续对其加热保温则新生晶粒还会使大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大。晶粒长大的实质是晶界的迁移过程。大小不等的相邻晶粒之间的晶界在一定温度和时间条件下会逐渐向较小的晶粒直向迁移将小晶粒的晶格位向改为大晶粒的品格位向，最后小晶粒消失了，大晶粒长得更大而且其晶界趋于平直化。晶粒的长大会减小晶体中晶界总面积，降低界面。只要能足够使原子扩散的温度和时间条件下，晶粒长大是自发的、不能够避免的。加热温度愈高，原子扩散能力愈强，则晶界愈易迁移，晶粒长大速度也愈快。加热速度快会提高再结晶温度，增加保温时间可阻降低再结晶温度。结晶金属中比较常见的是等轴晶、树枝晶、柱状晶、胞状晶。它们指的是结晶时形成形态为轴状、枝状、柱状的晶粒，形成不同形态的晶粒的原因是结晶时固液界面前沿的温度梯度不同(正、负大、小)如图4-4。树枝晶：结晶时，固液界面将以树枝方式在空间中迁移，晶粒彼此交错似树枝状称树枝晶,简称枝晶：柱状晶：结晶时固液界面只能在空间中的一个方向自由迁移，其他两个方向受限制，在凝固条件下，金属固溶体在结晶时由晶内生长成的枝晶，沿着主干（分支）在某个特殊界面延伸生长，最后生长成条形状的晶粒，称柱状晶；等轴晶：结晶时，固液界面能够在空间各个方向自由迁移，即结晶成颗粒状，形成内部有各自等长相近的枝晶组织从而形成枝晶的各个分支，在各方向均匀生长成大小不同的晶粒称为等轴晶；胞状晶：固溶体在结晶时，晶体在界面上以凸起条状自由生长，在过冷区内所形成的不规则条状、形状以及规则的六角形状。 如图4.4（a）柱状晶（b）树状晶（c）等轴晶 (d)胞状晶研究火场电气导线金属结晶与再结晶的规律，对于寻找汽车火灾起火原因有着重要的意义。4.3火灾环境对导线熔痕金相组织的影响 根据火灾现场的具体情况，通常火场中残留的导线熔痕可以分成四类：火烧熔痕、一次短路熔痕、二次短路熔痕和过载熔痕。因为形成的环境条件不同，它们的金相组织也不同。根据金相组织，可以判断铜导线是台发生过局部过热或熔化的状态。(1)火烧条件对导线熔痕金相组织的影响导线金属的金相显微组织会随着不同火灾环境中的不同加热(火烧)温度、保温时间、冷却速度等条件而变化。铜导线也不例外，随着温度的增加，晶粒也在长大。因此，通过观察其金相组织，可以分析其受热的过程。而火场燃烧时间即对导线金属的保温时间不同，对其金相组织尺寸会有很大的影响。此外，消防射水增人其过冷度，也会对导线金属的金相组织有所影响。通过观察火场中的金属导线与起火相关位置的金属物证的金相组织变化规律，可以推断火场的燃烧温度、燃烧时间以及冷却等情况。(2)电流大小对导线熔痕金相组织的影响 在实验研究中发现，电流过载产生的熔痕，如果是圆形和尖形熔痕，其组织为晶界粗大的胞状晶，且自(Cu+Cu2O)共晶体存在晶界处，近乎延时短路(短路持续时间略长)形成的熔痕金相组织；如果是小结疤颗粒状熔痕，则为细密的胞状晶。铜导线在过载条件下，随着电流的增加，其温度升高，见下表，晶粒变大。同理，随着导线通电电流的增大，导线短路时要承受的能量越大，则受热温度越高。但目前没有文献研究过随着短路电流的增加，会对导线熔痕金相组织有什么影响。这正是本文所要深入研究探讨的。 如图：16mm2塑料铜线(BV)在通过不同电流时温度值()4.4金相图谱定量分析方法 金相分析主要包括宏观组织分析、光学显微组织分析和电子显微组织分析三类。其中金相显微镜进行光学金相分析使用最为广泛。金相分析利用定量金相学原理，则由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量、计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系，这就是所谓的“体视学。过去很长的时间里，在电气火灾痕迹物证鉴定中，金相分析依赖分析人员的知识和经验，带有很强的主观性，因为要靠人工观察和分析显微镜下的金相图像，并且局限于定性分析。目前，随着计算机图像处理技术的发展，人们研究使用计算机数字图像技术，即通过分析图片的方法来测量数值，代替人工实现对晶粒进行定量化和自动化分析图像，它能大大减少主观因素，这就是金相分析的发展的方向。金相图像以材料学和金相学为基础，是一种特殊的显微镜图像，采用离散数据结构来表示。在摄取图像时，传感器所获取的图片是平面上两个坐标的连续函数，可以定义为一个二维函数f（x，y)，其中x和Y表示空间坐标，而f对于任何仅（x，y)坐标的函数值叫做那一点的灰度值。当X,Y和f的值都是有限的、离散的数值时，我们称这幅图片为数字图像。金相光学显镜内置光学传感器的显微摄像头，采用它和CCD摄像机捕捉试样的金相图像，再传输到图像采集卡，经过数字化编码和压缩后，得到金相数字显微图像，然后可采用测量分析软件定量测量试样显微组织的特电气火灾导线熔痕实验和金相分析征参数。定量测量的具体工作流程为：采集图像一标定尺寸叫图像预处理叫分割与识别晶界一提取晶粒特征参数。第5章 一、二次短路熔痕金相分析及实例探究5.1铜导线一次短路熔痕和二次熔痕的概述 在通过电气线路发生火灾,有时会在带电部分的铜质线路上找到铜线熔痕。根据通电导线熔痕形成的原因,一般将其分为一次短路熔痕和二次短路熔痕。一次短路熔痕的形成原因是不同相或不同电位的导线因自身发生故障而引发电弧形成的熔化痕迹;二次短路熔痕是导线绝缘受到外界火焰或高温作用下,不同相或不同电位的裸露导线之间引发电弧而形成的熔化痕迹。在认定火灾原因过程中,一次短路可能是火灾的原因;而二次短路是火灾作用的结果。因此分析这些导线残留物熔痕的表面形态和其内部的组织结构可能作为认定火灾原因的重要证据。 5.1.1一次短路熔痕特征指导线在火灾燃烧前因线路短路，造成金属熔化所形成的熔痕，由于一次短路只存在短路电弧的热作用,短路电弧瞬间的发生,导致熔痕形成过程中冷却速度快,熔痕的冷却速度和凝固速度较快而形成的小面积的金属熔化区域,如图 1（a）当短路电弧能量足够大时,铜线被爆发的高能量迅速液化、气化,形成喷溅,在短路点附近易形成细小颗粒状熔珠,如图1(b)。 铜导线发生一次短路的过冷度和冷却速度较大,在短路放弧过程中,部分被熔化的液体金属尚未来得及完全熔化脱离本体,就已凝固,形成的圆锥状熔痕与本体相连,如图1(c)。图5.1.1由于一次短路过程中所处的环境温度低，造成，较火烧熔痕相比，虽然其内的气体来不及逸出体外，但该熔痕形成过程中燃烧产物较少，所形成的气体较少，因此它的孔洞总是又小又少，孔洞表面温差小，在金相分析是能够明显的观察到所形成的Cu20膜一致，并且呈现较单一的红色。 5.1.2 二次短路熔痕特征 用金相显微镜观察分析，能够看到其金相显微组织是由粗大的柱状晶或一些大晶界组成，。分析二次熔痕形成的基本原因是环境所致，火灾现场的温度高，熔痕冷却速度较慢，熔痕凝固的时间长，整个熔痕周围的环境温度高，熔痕以及过度区域无法有效的形成因此过度区域不明显。 在短路电弧和火灾热的共同作用下,铜导线二次短路熔痕形成时，火灾现场的温度高，熔痕形成过程中的冷却速度和过冷度明显慢于一次短路,因此凝固时间长,这样就会在铜导线二次短路熔痕周围形成熔化面积大且流淌状金属熔化痕迹,如图2(a)。 在发生二次短路的过程中,不仅铜线之间发生了短路,而且导线上形成的炭化物也将参与短路放电,且这种短路电弧比低阻抗短路电弧能量大得多,其温度更高,特别是导线绞缠在一起时,容易形成多点短路,同时在火灾作用下,熔痕周围的金属凝固时间更长,与另一端形成了更大区域的热量中心,熔化的铜线将溶解更多的环境中的气态物质,从而在熔化区域内可见重叠的孔洞,内部孔洞大且较多，找不到明显的过渡区，孔洞周围的(Cu+Cu20)共晶体较明显,较大孔洞内存在小孔洞;有时可见巨大缩孔,如图2(b)、图2(c)。图5.1.2所以，一次短路熔痕与二次短路熔痕在显微组织结构上的不同特征主要有以下几个方面。(1)气孔一次短路熔痕内部的气孔是少而小。=次短路熔痕是在火灾高温环境中形成的，并且火灾环境中不可避免的存在着大量的灰尘，杂质和水蒸气等各种燃烧产物，这些物质都会不同程度的析入到铜的熔液中，所呈现的二次短路熔痕内部的气孔总是又多又大。(2)共晶体相比较二次熔痕，铜导线一次短路熔痕气孔周围生成的(Cu+Cu20)共晶体则少很多。因为一次短路熔痕是在正常环境下形成的，空气中的水蒸汽少，凝固时间短，氧气还没来得及与铜充分反应产生Cu20时，就被析出组织之外；而与之相比，二次熔痕的形成条件存在明显的差异，二次短路熔痕溶液处在火灾的高温环境但中，空气中的水蒸汽多，氧气与高温的铜溶液的反应速度以及反应量相应增加，故生成大量的(Cu+Cu20)共晶体。(3)过渡区一次熔痕的过渡区在火灾发生前在短路瞬间便形成，能够肉眼区别开，看到除短路点外，整个导线的温度并不高，金相显微镜下过渡区组织仍为铜导线原始的等轴晶被拉长的状态，呈明显的方向性，形成明显过渡区晶界。在火场高温环境下，熔痕和过渡区同时被火场的高温所加热，过渡区逐渐出现火烧熔痕的特征，而短路熔珠内的细小柱状晶晶粒逐渐长大再结晶变成粗大的等轴晶，比较二次熔痕其熔痕的界限依然较清楚。 综合上述分析可知，铜导线的一次短路熔痕的显微组织呈现低温快速冷却的柱状晶为主，而二次短路熔痕的晶核有充分的时间形成，并再结晶融合长大，其显微组织以等轴晶为主，所以能够看到二次熔痕的晶粒较一次短路熔痕的晶粒粗。5.2 金相分析实验探究 汽车停止行驶之后，有些用电设备仍处于工作状态（如报警器）有些线路仍处于带电状态（电磁开关、电源线等），存在电气火灾危险性时蓄电池成为电源，因为现代汽车以12V电系和24V电系为主, 所以笔者选用12V和24V车用蓄电池为电源,采用不同规格的导线。按图（a）、（b）、（c）进行3种常见电气故障的模拟试验。图5.2 三种电气故障模拟试验线路示意图 一次短路的导线为交叉搭接和平行搭接；二次短路搭接方式与一次短路相同，火源为木材火，各组试验的火焰高度一致；搭铁短路所选的负极铁为低碳钢， 其厚度为2mm。列出了不同模拟试验选用的导线规格。试验过程中使用钳形表测量短路电流。提取模拟试验获得的导线熔痕，经镶嵌、预磨、抛光和腐蚀制备成金相试样并进行分析， 试样腐蚀剂为Fecl3、 盐酸、酒精溶液，使用OLYMPUS-GX71金 相 显 微 镜 观 察 熔 痕 的 金 相 组 织,使用OLYMPUS-DP12成像系统拍照。5.2.1试验结果分析试验现象虽然汽车电气回路处于直流低电压状态! 一次短路和搭铁短路均产生强烈电弧和大量电火花，伴随发光和放热，见下图1，其剧烈程度与电压值成正比，搭铁短路持续进行，可击穿负极铁，试验测得12V搭铁短路时,蓄电池线击穿负极铁需要120S,同时测得,短路发生时电流有明显增加, 但一次短路和搭铁短路过程很快,无法获得精确的短路电流。 12v电源电压下! 二次短路表现为短路点的导线搭接，形成过电流回路，下图2 使全线过热，短路后导线断口处较难形成熔痕，导线在24v电源电压下发生二次短路! 能形成明显的熔珠。导线的二次短路在火焰气氛内进行， 短路并未产生电弧。见图3。12v电压短路电流产生的热量较难使导线熔化，短路的导线受火和电流共同的热作用形成熔痕；而24v电压短路电流产生的热量大于火焰传递给导线的热量，所以不仅使导线熔化，而且短路后能迅速形成熔珠。图5.2.15.2.2 宏观形貌观察可知，模拟试验获得的3种短路熔痕，导线与熔痕间的过渡区分明，但在形状、尺寸和表面特征等方面存在差异。12v电源电压下，一次短路形成的熔痕形状包括熔、 凹痕和不规则熔痕，其尺寸略大于导线标称尺寸，大多数熔痕和相连导线保持一致的颜色和光泽度；二次短路熔痕大多为凹痕，熔珠较少，尺寸变化小，氧化程度高于相连导线；搭铁短路形成搭铁点为平面状的熔痕， 其它特征与一次短路熔痕相似。 与12v电源电压相比，24v电源电压下的各组试验均得到了明显短路熔珠，具体为：一次短路熔珠表面光亮，很少发生氧化，尺寸也明显大于导线尺寸； 二次短路熔珠表面粗糙! 有的有凹坑或凹孔，部分熔珠的尺寸超过导线标称尺寸的1倍，氧化较为严重；搭铁短路熔珠和一次短路熔珠相似。未参与短路的导线过火后，只发生表面氧化，无熔融粘连现象。5.2.3金相组织 对导线的熔痕进行金相分析,是电气火灾物证鉴定技术中最实用的一种方法,其原理为:不同短路形成的熔痕,在温度、气氛、过冷度和电致迁移作用等因素的共同影响下，呈现出不同金相组织。 图（a）、（b）