Металлографическое исследование
Основанная на металлографическом исследовании методика дифференциации перегрева алюминиевых проводников в результате тепловыделения от прохождения «сверхтоков» и внешнего нагрева изложена в работе [60]. Ниже она приводится с небольшими сокращениями.
Авторы [60] отмечают, что неисправность электрооборудования, вызывающее КЗ или соответствующую токовую перегрузку, может приводить к нагреву, оплавлению или разрушению провода, быть причиной пожара. При анализе причин аварийных ситуаций (пожаров), связанных с нарушением электропроводки, часто необходима металловедческая экспертиза.
Экспертное исследование может дать результат, если после пожара сохраняется неповрежденным участок провода (кабеля), отходящий от клеммы электрощитка. Основной предпосылкой служит неравномерность нагрева провода под действием тока, обусловленная теплоотводом в клемму.
В работе [60] исследовали влияние токовой нагрузки и внешнего нагрева на структуру алюминиевых проводов для выявления основных признаков этих воздействий в отдельности и в сочетании. Изучали одножильные провода АПВ-4 и АПВ-5 с жилами диаметром 2 и 5 мм соответственно из сплава А5Е (содержание примесей в сплаве не более 0,35 % Fe и 0,12 % Si).
Через отрезок провода с концами, поджатыми клеммами к медным контактным пластинам толщиной 2 мм, на специальной установке при напряжении примерно 30 В пропускали ток, сила которого в 5 - 15 раз превышала допустимую. Провода располагали горизонтально и вертикально. Продолжительность действия тока составляла до 60 с (до разрушения провода). При вертикальном расположении проводов их разрушение, происходящее под влиянием токовой перегрузки и силы тяжести, наступает быстрее.
|
|
|
Продольные микрошлифы получали электрополированием в электролите «хлорная кислота+этиловый спирт (1:4)» при напряжении примерно 25 В. Микроструктуру выявляли при исследовании в поляризованном свете шлифов, анодированных в 2 %-ном растворе борфтороводородной кислоты при напряжении примерно 17 В в течение 1 – 2 мин. Рельеф поверхности проволоки исследовали в темнопольном освещении при увеличении 100 - 200х.
Результаты металлографического исследования показали, что проволока обоих диаметров в исходном состоянии имеет волокнистую нерекристаллизованную структуру. Такая структура часто сохраняется на участке под клеммой. По мере удаления от клеммы под влиянием нагрева наблюдали участки, в которых происходит частичная, полная и собирательная рекристаллизация, пережог, плавление и разрушение.
Для моделирования процессов рекристаллизации и качественной оценки температуры нагрева различных участков провода исследовали структуру проволоки диаметром 2 мм после отжига при 200 - 600 0С и длительности 1 - 60 мин. в печи с циркуляцией воздуха. Нагрев до 500 и 600 °С с выдержкой 1 мин проводили при погружении образцов в расплав свинца.
|
|
|
В таблице 2.15 приведены результаты оценки степени рекристаллизации и среднего размера рекристаллизованного зерна. Нерекристаллизованная структура сохраняется после нагрева до 200 °С с выдержкой до 1 ч и до 300 °С с выдержкой 5 мин. На первом этапе рекристаллизации наряду с исходными вытянутыми появляются мелкие равноосные зерна. С увеличением продолжительности, и особенно температуры отжига, происходит рост зерна при сохранении его равноосности. Такая структура характерна для отжига при 400 и 500 0С до 60 мин и при 600 °С в течении 1 мин. После отжига при 600 0С 5 — 60 мин образуются очень крупные (до 1,5 мм) зерна, наблюдаются небольшие участки с зернами меньшего размера.
Таблица 2.15 – Степень рекристаллизации и размер зерна после отжига
| Температура отжига, °С | Степень рекристаллизации и размер зерна, мкм, после отжига в течение, мин | ||||
| 1 | 5 | 15 | 30 | 60 | |
| 200 300 400 500 600 | н.р. н.р. ч.р. (10) р. (30) р. (40) | н.р. н.р. р. (30) р. (40) р. (1000+100) | н.р. н.р. (10) р. (30) р. (40) р. (1000+200) | н.р. ч.р. (30) р. (30) р. (50) р. (1500+300) | н.р. ч.р. (30) - р. (90) р. (1500+300) |
О б о з н а ч е н и я: н.р. – нерекристаллизованная структура, ч.р. – частично рекристаллизованная структура, р. – рекристаллизованная структура.
|
|
|
П р и м е ч а н и е. В скобках указан размер зерна в мкм.
На рисунке 2.66 показана схема изменения структуры провода, подвергнутого токовой перегрузке. По мере удаления от клеммы (и повышения температуры) в участке рекристаллизации наблюдается такая же структура, как и после отжига, однако область с очень крупным зерном отсутствует. По-видимому, такое зерно не успевает сформироваться при столь кратковременном нагреве. Следует отметить однородность структуры по всему сечению проволоки.
Структурными признаками пережога является образование прослоек эвтектики по отдельным границам зерен и глобулей в зерне. При этом сохраняется однородное распределение нерастворимых интерметаллидов в зерне, характерное для сплава в исходном состоянии. Согласно диаграмме Аl - Fe - Si, пережог в исследованном сплаве возможен при температуре более 650 °С.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 – нерекристаллизованная структура; 2 – частично рекристаллизованная
3 – рекристаллизованная; 4 литая; 5 – пережог; 6 – исходный рельеф поверхности
7 – изменение рельефа
Рисунок 2.66 – Схема изменения структуры жилы провода после токовой перегрузки
Необходимо отметить, что зерно в зоне пережога имеет примерно такой же размер, как и в прилегающем участке с рекристаллизованной структурой.
Участок с литой структурой, граничащий с изломом, характеризуется утолщенными эвтектическими прослойками почти по всем границам и крупными глобулями в зерне. Плотность распределения интерметаллидов в зерне значительно меньше, чем в зоне пережога.
При исследовании поверхности проволоки без травления удается разграничить отдельные структурные зоны. В области рекристаллизации сохраняется исходный рельеф, а в зоне пережога по всей поверхности или в отдельных местах наблюдали характерную сетку границ. Размер ячейки этой сетки примерно соответствует размеру зерна. При полном оплавлении образуется более грубый рельеф, усиливается фрагментация.
Аналогичные результаты получены при исследовании микроструктуры жилы диаметром 5 мм и структуры ее поверхности. Интенсивность нагрева различных участков провода можно оценить не только по структуре, но и по результатам испытания механических свойств, например твердости, углов изгиба или скручивания и др.
Для оценки перегрузки были определены положение критических (переходных) точек, длина отрезков от клеммы до начала зоны рекристаллизации «m» и до начала зоны пережога «n» (рисунок 2.66). Полученные результаты приведены в таблице 2.16. Видно, что с увеличением перегрузки длина обоих отрезков уменьшается, так как при постоянном теплоотводе тепловыделение возрастает. При вертикальном расположении провода длина этих отрезков вследствие меньшей продолжительности перегрузки меньше, чем при горизонтальном расположении. Соответствующие отрезки провода диаметром 5 мм при одинаковых перегрузках в 2 - 3 раза меньше, чем провода диаметром 2 мм. Это обусловлено ухудшением теплоотвода в результате увеличения отношения массы участка провода под клеммой к массе клеммы.
Таблица 2.16 - Длина отрезков от клеммы до начала зоны рекристаллизации и до начала зоны пережога
| Кратность перегрузки | Диаметр проводника, мм | Расположение | Расстояние до начала зоны | |
| рекристаллизации - m, мм | пережога - n, мм | |||
| 5 10 15 | 2 | Горизонтальное | 40 20 15 | 110 45 40 |
| 5 10 15 | 2 | Вертикальное | 40 20 20 | 370 60 50 |
| 8 11 | 3 | Вертикальное | 15 0 | 75 33 |
При проведении экспертизы проводов необходимо выявить отличительные признаки перегрузки и неравномерного внешнего нагрева. С этой целью отрезок провода диаметром 2 мм и длиной 0,5 м нагревали с одного конца (до оплавления) на газовой горелке. При этом быстро устанавливается динамическое равновесие процессов нагрева и теплоотвода, так что расстояние от зоны нагрева до участка с неповрежденной изоляцией не превышает 120 мм и не возрастает с увеличением продолжительности нагрева от 1 до 5 мин.
В отличие от случая токовой перегрузки наблюдали все типы структур, описанные ранее, включая участок с очень крупным рекристаллизованным зерном, отсутствующий при нагреве током. Такое же крупное зерно — в зоне пережога.
Другая особенность: переход от исходной нерекристаллизованной структуры происходит постепенно, на протяженном участке длиной около 8 мм (при перегрузке его длина не превышает 0,3 мм). Эти различия обусловлены меньшим градиентом температуры и большей продолжительностью внешнего нагрева.
Рассмотрим ситуацию, когда за перегрузкой следует внешний нагрев. Анализ этой ситуации возможен лишь в случаях нагрева при температуре, не превышающий солидус. Исследовали провод диаметром 2 мм, подвергнутый десятикратной токовой перегрузке и отжигу при 600 0С 40 мин. После отжига в зонах с нерекристаллизованной (под клеммой) и рекристаллизаванной после перегрузки структурой формируется очень крупное зерно. При этом в зонах пережога и оплавления сохраняется сравнительно мелкозернистая структура; соответствующая структуре образца до отжига, поскольку прослойки на границах зерен препятствуют собирательной рекристаллизации при отжиге.
Случай высокотемпературного нагрева с последующей пяти- и десятикратной перегрузкой моделировали на проволоке, подвергнутой местному нагреву в печи до 600 0С с выдержкой 40 мин.
При этом формируется крупнозернистая структура в отличие от структуры, наблюдаемой после перегрузки без предварительного отжига. Пережог и разрушение происходят в крупнозернистой зоне, обладающей пониженной прочностью. Следует отметить, что местный нагрев горелкой после отжига при 600 0С в течении 40 мин вызывает такие же структурные изменения, как и перегрузка: оплавление или пережог происходят по границам крупных рекристаллизованных зерен.
Дифференциация следов перегрузки и признаков теплового воздействия
Основной структурный признак токовой перегрузки — изменение структуры по длине провода, начиная от клеммы; участок с крупным зерном вблизи зоны пережога отсутствует.
Признак перегрузки, предшествующей нагреву до 600 0С - более мелкое зерно в зоне прожога по сравнению с грубозернистой структурой зоны рекристаллизации.
Признак внешнего нагрева — крупное рекристаллизованное зерно у зоны пережога и протяженная область с частично рекристаллизованной структурой.
Величину перегрузки можно оценить, сопоставляя расстояния от клеммы до участков с рекристаллизованной структурой и (или) с пережогом; чем больше перегрузка, тем меньше эти расстояния.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 147; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!