鋼化玻璃破碎裂紋特征實(shí)驗(yàn)研究

梁帥

（鐵道警察學(xué)院 河南鄭州 450000）

鋼化玻璃破碎裂紋特征實(shí)驗(yàn)研究

梁帥

（鐵道警察學(xué)院 河南鄭州 450000）

實(shí)驗(yàn)器材：300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，透明貼膜若干，噴霧器一只，鋼化玻璃固定架一個，自制彈弓，Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠，鐵塊，尼康D5200單反相機(jī)一臺；相機(jī)固定架一臺。實(shí)驗(yàn)樣本：取同一批次的300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，將透明貼膜貼在鋼化玻璃板上，鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)樣本基本完成。粘膠帶的一面作為入射面，分別用Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠以不同速度垂直拋擊、用鐵塊敲擊，鋼絲鉗敲擊，錘子方面敲擊和敲邊制作鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)樣本。通過對鋼珠拋擊、鐵塊拋擊分別進(jìn)行定量化研究，為不同速度、不同拋擊物對鋼化玻璃破碎裂紋影響的研究提供出參考，為區(qū)分拋擊物體種類、判斷拋擊破壞鋼化玻璃案件性質(zhì)提供依據(jù)。

鋼化玻璃；破碎裂紋；裂紋分析

普通平板玻璃破碎裂紋痕跡特征方面的研究已經(jīng)趨于成熟。然而鋼化玻璃破碎痕跡與拋射物飛行速度相關(guān)性分析研究還未形成理論體系。鋼化玻璃屬于安全玻璃，是一種預(yù)應(yīng)力玻璃，為提高玻璃強(qiáng)度、硬度，使用化學(xué)或物理的方法，在玻璃表面形成壓應(yīng)力，玻璃承受外力時首先抵消表層應(yīng)力，從而提高承載能力，增強(qiáng)玻璃自身抗風(fēng)壓性，寒暑性，沖擊性等[1]。

在刑事偵查、保衛(wèi)、治安工作中，經(jīng)常遇見鋼化玻璃破裂的問題，因此我們可以通過研究鋼化玻璃裂紋的種類和裂紋形態(tài)判斷拋擊物飛行的速度，以此推斷拋擊物的客體種類。制作拋擊實(shí)驗(yàn)樣本，總結(jié)拋射后形成的破碎裂紋形態(tài)的分析，為區(qū)分被拋擊客體提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持，發(fā)現(xiàn)不同拋擊破碎裂紋痕跡特征，掌握快速確定拋擊物的偵查破案方法。

一、鋼化玻璃破碎原理

鋼化玻璃破碎情況是從玻璃內(nèi)部開始，在玻璃張應(yīng)力層最大處開始出現(xiàn)微裂紋，該微裂紋尖端的曲率半徑非常小，根據(jù)Griffith裂紋擴(kuò)展理論，在尖端存在應(yīng)力集中，一旦尖端應(yīng)力達(dá)到玻璃強(qiáng)度極限，裂紋開始擴(kuò)展，隨著裂紋擴(kuò)展，裂紋尺寸增大，應(yīng)力與裂紋尺寸的平方成正比，而玻璃等脆性材料沒有吸收大量能量的塑性變形，故應(yīng)力惡性循環(huán)增大，材料快速斷裂。

鋼化玻璃在承受外荷載作用時會發(fā)生相應(yīng)的彎曲，張力應(yīng)力區(qū)向下移動，上部壓力應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大，下部壓力應(yīng)力區(qū)縮小(如圖1所述)。在達(dá)到極限荷載時[2]，張力應(yīng)力區(qū)移動到玻璃邊部，玻璃破裂。玻璃碎裂是由拉應(yīng)力引起的，并且它起始于玻璃的表面。由于其表面存在微裂紋，斷裂過程就是這些裂紋逐漸擴(kuò)展的過程，由于鋼化玻璃表面受到外壓力，首先外力要克服鋼化玻璃表層的壓應(yīng)力，使鋼化玻璃表面的拉應(yīng)力超過壓應(yīng)力抗拉強(qiáng)度極限而產(chǎn)生裂紋。但是，鋼化玻璃一旦被擊碎，裂紋端處的拉應(yīng)力就會超過其抗拉強(qiáng)度，裂紋就會迅速地向四周擴(kuò)散，爆炸性地游離，使整塊鋼化玻璃破碎成沒有尖銳角的小顆粒塊狀。因此鋼化玻璃的破裂是由分布在壓力應(yīng)力區(qū)到張力應(yīng)力區(qū)的損傷引起。

鋼化玻璃的斷裂首先是處于張應(yīng)力的內(nèi)部拓展，然后當(dāng)內(nèi)部張應(yīng)力松弛時在表面壓應(yīng)力釋放之后，斷裂才貫穿到表面。

圖1 玻璃的橫截面、以及邊部區(qū)域受力圖

二、鋼化玻璃破碎痕跡特征

鋼化玻璃在外界載荷作用下，首先在中心層產(chǎn)生微裂紋，微裂紋將在內(nèi)應(yīng)力作用下擴(kuò)展。如果內(nèi)拉應(yīng)力足夠大，裂紋將加速傳播并開始分叉。由于應(yīng)力是雙軸的，即沿X方向和Y方向分布。故裂紋可以在與玻璃表面垂直的任何平面內(nèi)擴(kuò)展。因此，從原始裂紋產(chǎn)生的兩個分支將會擴(kuò)展而且再形成分支，次過程延續(xù)到整個玻璃，直到碎裂成大量的沒有尖銳角的小顆粒塊狀碎片為止。裂紋開始在中間拉應(yīng)力帶中進(jìn)行擴(kuò)展，并不擴(kuò)展到玻璃的表層，此時，需要一個外加力才能使得這些碎片分離。當(dāng)鋼化玻璃受到高度集中的應(yīng)力（槍擊）作用時，可以在作用點(diǎn)附近的區(qū)域內(nèi)形成放射紋，裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展并且進(jìn)行分叉，因此在邊界附近，碎塊呈矩形分布。在作用點(diǎn)處也可以形成喇叭口狀脫落[3]。

鋼化玻璃裂紋斷口形態(tài)不受載荷作用方式的影響。無論是槍擊或是拋擊，斷口形態(tài)均為柱面，在兩條末梢紋之間有切向裂紋，斷面上有時可出現(xiàn)弓形紋，其匯聚方向是從入口向出口，由于鋼化玻璃表層分布著永久壓應(yīng)力，而中心層分布著永久拉應(yīng)力，因此裂紋擴(kuò)展時，中心層的擴(kuò)展速度超前于表層，其弓形紋的形態(tài)呈拋物線形分布（見圖2）；且切向裂紋斷面面積很小，因此弓形紋不易觀察。

圖2 鋼化玻璃裂紋斷口上的弓形紋

三、實(shí)驗(yàn)材料及方法

（一）實(shí)驗(yàn)器材。

實(shí)驗(yàn)裝置：300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，透明貼膜若干，噴霧器一只，鋼化玻璃固定架一個，自制彈弓，Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠，鐵塊，尼康D5200單反相機(jī)一臺；相機(jī)固定架一臺。

測量工具：卷尺，直尺、比例尺、測速儀。

（二）實(shí)驗(yàn)樣本的制作。

取同一批次的300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，將透明貼膜貼在鋼化玻璃板上，鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)樣本基本完成。粘膠帶的一面作為入射面，分別用Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠以不同速度垂直拋擊、用鐵塊敲擊，鋼絲鉗敲擊，錘子方面敲擊和敲邊制作鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)樣本[4]。

（三）測速方法。

將激光測速儀置于工作狀態(tài)，把Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠裝入自制彈弓包，控制橡皮筋的長度，在規(guī)定的長度區(qū)間拋擊鋼珠，每一拉伸長度拋擊三次，并分別記錄下測速儀顯示屏上的數(shù)值，最后求出每一固定長度下的速度平均值[5]。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

不同速度區(qū)間Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠、鐵塊拋擊300mm×300mm×5mm鋼化玻璃樣本如圖2所示：

圖3 鋼化玻璃樣本

由于拋擊鋼化玻璃破碎產(chǎn)生的裂紋形態(tài)不穩(wěn)定，所以選擇4組統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的3組相近數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過分析，總結(jié)拋擊鋼化玻璃破碎裂紋特征[6]。

孔洞：鋼珠拋擊和鐵塊拋擊均未能穿透鋼化玻璃；鋼珠拋擊形成的孔洞為圓形，而鐵塊拋擊形成的孔洞形狀不規(guī)則；孔洞直徑與拋擊速度具有正相關(guān)的關(guān)系，由35m/s時的1mm增加到85 m/s時的8mm。鐵塊拋擊形成的孔洞大小則于鐵塊本身的質(zhì)量、速度和形狀有關(guān)。

層裂區(qū)：三者均有碗狀喇叭口出現(xiàn)，出口直徑大于入口直徑，鋼珠拋擊時入口周圍平整邊緣銳利，鐵塊拋擊時入口周圍粗糙邊緣銳利；喇叭口直徑不變，直徑范圍均在20mm左右浮動。

放射紋線條數(shù)：三者拋擊鋼化玻璃破碎產(chǎn)生的放射紋的數(shù)量與拋擊速度具有正相關(guān)的關(guān)系。距離孔洞中心相同半徑處裂紋條數(shù)基本相同。

切向裂紋：切向紋大多為弧狀、也有直線形，半徑隨著拋擊速度的加快而減小。半徑基本相同均在20-35mm之間。

閉合圓環(huán)區(qū)：三者都沒有形成閉合圓環(huán)區(qū)，與槍擊鋼化玻璃特征明顯不同。

裂紋和碎片：鋼珠拋擊使鋼珠獲得的速度低、動能小，作用力小，放射紋基本不發(fā)生扭曲，裂紋以孔洞處為中心傳播并開始逐漸分叉，分支將會擴(kuò)展而且再形成分支，延續(xù)到整個玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，碎塊面積較小，碎塊破碎較為完全。拋擊速度越快形成的矩形玻璃碎片越多。矩形玻璃碎片數(shù)目接近，距離孔洞中心相同半徑處的碎片面積相當(dāng)。

斷口及弓形紋：鋼珠拋擊鋼化玻璃斷口形態(tài)為柱面，斷口上有拋物線狀的弓形紋(圖2)；弓形紋的形態(tài)為拋物線狀，無法區(qū)分打擊方向。但是形成的放射末梢紋形態(tài)呈單刃刀狀，但是其出口側(cè)長，入口側(cè)短，與槍擊形成的放射末梢紋形態(tài)正好相反；拋擊形成的放射末梢紋形態(tài)如圖（1.k）所示，此時垂直指向紙面的方向?yàn)槿肷浞较颉Ｍ瑫r，放射末梢紋的數(shù)量與拋擊速度也具有正相關(guān)的關(guān)系。鐵塊拋擊鋼化玻璃斷口形態(tài)也為柱面，斷口上有拋物線狀的弓形紋(圖2)；弓形紋的形態(tài)為拋物線狀，鐵塊拋擊也無法形成放射末梢紋，無法區(qū)分打擊方向。

五、結(jié)論

觀察分析不同拋擊物拋擊鋼化玻璃裂紋，總結(jié)裂紋特征：不同客體拋擊鋼化玻璃，均能觀察到明顯的著力破碎點(diǎn)。裂紋以著力點(diǎn)處為中心向四邊傳播并開始逐漸分叉，分支將會擴(kuò)展而且再形成分支，延續(xù)到整塊鋼化玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，距離著力點(diǎn)處越遠(yuǎn)破碎的矩形碎片面積越??；形成的孔洞形狀和大小與拋擊物飛行速度、質(zhì)量和拋擊物形狀有關(guān)。拋擊物飛行速度越大形成的孔洞越大，拋擊物直徑越大形成的孔洞也越大，孔洞的形狀與拋擊物接觸面的幾何形態(tài)基本形同；形成的喇叭口形狀與大小與拋擊物體飛行速度并無直接的關(guān)系；拋擊鋼化玻璃破碎程度與拋擊速度具有正相關(guān)關(guān)系；距離著力點(diǎn)處相同半徑處裂紋條數(shù)明顯增多，切向紋半徑減小，形成的矩形玻璃碎片增多，距離著力點(diǎn)相同半徑處矩形玻璃碎片面積減?。粧亾魯嗫诰鶠橹?，拋擊鋼化玻璃由于弓形紋的形態(tài)為拋物線狀，無法利用弓形紋區(qū)分打擊方向。其中鋼珠拋擊鋼化玻璃根據(jù)放射末梢紋判斷入射方向，

通過大量實(shí)驗(yàn)，對鋼珠拋擊、鐵塊拋擊分別進(jìn)行定量化研究，為不同速度、不同拋擊物對鋼化玻璃破碎裂紋影響的研究提供系統(tǒng)化的理論依據(jù)。為區(qū)分拋擊物體種類范圍對拋擊破壞鋼化玻璃案件性質(zhì)判斷和提供線索具有指導(dǎo)作用或參考價值。

[1]姚國文，劉占芳.高速沖擊條件下玻璃材料的破壞分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2001，(5). [2]陳建華.擊碎玻璃的檢驗(yàn)[M].北京：群眾出版社，1985.

[3]戴 林.特殊痕跡檢驗(yàn)[M].北京：警官教育出版社，1994．

[4]包 清，梁 帥.淺析槍擊鋼化玻璃切向、環(huán)形裂紋痕跡[J].中國司法鑒定，2016，(1):45-50.

[5]鄭其雙，郭 威.92式手槍發(fā)射9mm手槍彈擊穿5mm普通平板玻璃形成的裂紋實(shí)驗(yàn)研究[J].湖北：湖北警官學(xué)院學(xué)報，2012，（12）:166-168.

[6]李德仲，李國安.槍彈痕跡檢驗(yàn)技術(shù)[M].北京：警官教育出版社，1995.

Experiment Research on Features of Toughened G lass Broken Crack

LIANG Shuai

Materials:300mm×300mm×5mm toughened glass,transparent film,sprayer,toughened glass fixed mount, self-made slingshot,Φ7㎜、Φ9㎜steel ball,iron ore,Nikon D5200,camera fixed mount.Sample:stick transparent film on the face of 300mm×300mm×5mm toughened glass.Throw the glass vertically and respectively withΦ7㎜、Φ9㎜steel balls. Hit the glass with iron ore,wire-cutter and hammer respectively.Make quantative research on the broken crack through the above forms.Give reference for influence of different objectswith different speed on toughened glass broken crack and provide a basis for distinguishing objects and judging the feature of toughened glass broken crack cases.

toughened glass;broken crack;analysis of the broken crack

D919.281

：A

1674-5612（2017）02-0076-05

（責(zé)任編輯：吳良培）

2017-02-01

梁 帥，（1989- ），男，山東人，鐵道警察學(xué)院公安技術(shù)系教師，研究方向：刑事技術(shù)。