試探玻璃破碎機(jī)理與痕跡分析

張迪迪

（中國刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系，遼寧 沈陽110035）

許多犯罪現(xiàn)場(chǎng)，犯罪嫌疑人是通過對(duì)玻璃的破壞開啟門窗進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，還有一些槍擊案件現(xiàn)場(chǎng)，可能出現(xiàn)對(duì)建筑物門窗玻璃的破壞。玻璃破碎痕跡是指玻璃在外界因素作用下，由于斷裂而形成的裂紋分布及形態(tài)痕跡。玻璃破碎痕跡檢驗(yàn)技術(shù)是指對(duì)各類異物擊碎玻璃及玻璃自然斷裂的痕跡進(jìn)行檢驗(yàn)，分析玻璃破碎的原因及打擊物的種類、打擊方向、角度、距離等，為偵查破案和查明事故原因提供線索和證據(jù)的一種專門技術(shù)[1]。由于現(xiàn)實(shí)生活和實(shí)際案件中多見平板普通玻璃，未加特殊說明時(shí)，本文主要探討的玻璃都是平板普通玻璃。目前，學(xué)術(shù)界在痕跡檢驗(yàn)領(lǐng)域多以玻璃破碎痕跡特征作為研究重點(diǎn)，但對(duì)于玻璃破碎的原理研究較少，本文就玻璃的機(jī)械性能，破碎原理進(jìn)行探討。

1.玻璃的機(jī)械性能

玻璃是一種具有無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體，化學(xué)成分比較復(fù)雜，主要成分是硅酸鹽。同時(shí)玻璃也是一種脆性客體，具有較大的抗壓性和抗沖擊性。玻璃的硬度大，其硬度值在摩氏硬度5～7之間。同時(shí)脆性也較大，當(dāng)載荷超過玻璃的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)立即破裂。但是，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較小。玻璃的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度差異很大，理論抗折強(qiáng)度是 1.2×105kg/cm2，實(shí)際抗折強(qiáng)度為 70 kg/cm2，主要原因是玻璃具有脆性和微裂紋以及存在不均勻區(qū)等。以普通平板玻璃的強(qiáng)度值為例，抗張強(qiáng)度在350～850 kg/cm2之間， 抗壓強(qiáng)度在 2×104～5×104kg/cm2之間，其抗壓強(qiáng)度約為抗張強(qiáng)度的15～20倍。因此，當(dāng)玻璃在張應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下，受張應(yīng)力作用的部位非常容易形成裂紋而斷裂。簡(jiǎn)言之，玻璃具有硬度大、脆性大、抗壓強(qiáng)度大和抗張強(qiáng)度小等性質(zhì)。此外，玻璃還具有熱穩(wěn)定性和熱應(yīng)力等性質(zhì)[2]。

2.玻璃破碎原理

由于玻璃具有脆性高、彈性差的性質(zhì)，且有一定的抗拉抗壓性，這就決定了玻璃只能形成孔洞、裂紋、破碎等痕跡，這與我們傳統(tǒng)研究的諸如手印、足跡、工具痕跡等有所不同，這些痕跡不能反映造痕體的外表形態(tài)結(jié)構(gòu)，只能大致反映造痕體的種類、作用力大小、方向等情況。目前案件現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的玻璃破碎問題，原理大致有三種。

第一種是受沖擊波載荷作用的玻璃破碎。沖擊波是指使介質(zhì)狀態(tài)突躍改變的波動(dòng)，在痕跡檢驗(yàn)領(lǐng)域沖擊波的形成主要以超音速飛行的彈頭前端形成沖擊波和爆炸產(chǎn)生的高速氣流為典型代表。文中主要探討槍擊沖擊波作用的玻璃破碎。槍擊玻璃沖擊波作用按照形成痕跡的形態(tài)有四種，分別是喇叭口層裂區(qū)、放射末梢紋區(qū)、彎曲放射紋區(qū)、孔洞。喇叭口層裂區(qū)自由面上的層裂區(qū)直徑最大，此后層裂區(qū)直徑逐漸減小，原理如圖1所示。發(fā)射末梢紋區(qū)的形成是由于入射縱波切向張應(yīng)力的作用，具體原理如圖2所示。末梢紋前沿形態(tài)與波陣面形態(tài)一致，入口面長(zhǎng)、出口面短。彎曲放射紋是由入射（縱）波張應(yīng)力與入射（橫）波剪應(yīng)力的合力作用。彈孔形態(tài)表現(xiàn)在彈孔周圍邊緣有白色玻璃粉末圈，末梢紋之間形成少量的切向裂紋。

第二種是由于機(jī)械沖擊載荷作用引起的破碎。機(jī)械載荷作用方式有很多種，文中只探討拋擊作用導(dǎo)致的玻璃破碎。根據(jù)產(chǎn)生裂紋的形態(tài)和分布規(guī)律，可將其分為三個(gè)區(qū)域：斜面狀斷口、放射紋區(qū)、切向裂紋區(qū)。斜面狀斷口的形成是由于作用點(diǎn)附近的張應(yīng)力作用。放射紋的形成是由于自由面張應(yīng)力作用使得自由面產(chǎn)生切向拉應(yīng)力區(qū)，原理如圖4所示。切向紋的形成是由于入射面張應(yīng)力作用，入射面產(chǎn)生圓環(huán)形徑向拉應(yīng)力區(qū)，原理如圖5所示。同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生弓形紋，弓形紋是分布于裂紋 （通常為放射紋或者切向紋）斷口上的，并且向某一表面匯聚成束的紋線。弓形紋匯聚的表面為壓應(yīng)力面，凹弧對(duì)應(yīng)的表面為張應(yīng)力面。

第三種是由于熱沖擊載荷作用。是指玻璃受劇烈的溫度變化，其內(nèi)部的應(yīng)力產(chǎn)生變化導(dǎo)致的破碎。鋼化玻璃不同于普通玻璃，有特殊較大的應(yīng)力分布，一旦破裂，應(yīng)力釋放的結(jié)果很少形成，此外，還會(huì)出現(xiàn)鋼化玻璃自爆的現(xiàn)象，主要原因是由于硫化鎳相變引起自爆和雜質(zhì)顆粒引起自爆兩種原因[3]。

圖1 喇叭口層裂區(qū)形態(tài)圖

圖2 末梢紋形成過程

圖3 斜面狀斷口形成過程

圖4 放射紋形成過程

圖5 切向紋形成過程

圖6 弓形紋的形成過程

3.玻璃破碎痕跡特征

3.1 槍擊裂紋特征

由于彈頭速度比較高，如果子彈射到玻璃上就會(huì)形成明顯的槍擊彈孔特征。槍擊案件玻璃彈孔呈圓形或橢圓形，斷面粗糙，邊緣有白色粉末圈。層裂區(qū)呈喇叭狀，入口小、出口大，斷面呈階梯狀。末稍紋均勻分布于彈孔周圍，密度大、長(zhǎng)度小，形態(tài)細(xì)直（斷口呈柱面）。放射紋呈放射狀或網(wǎng)狀分布，分叉多、轉(zhuǎn)折多，形態(tài)彎曲，裂紋較粗。玻璃彈孔是由入口向出口逐漸擴(kuò)大的喇叭形孔洞，孔徑大于彈徑，入口周圍平整、邊緣銳利，出口一面玻璃屑層層剝落，呈坡面。應(yīng)當(dāng)注意的是，在較近距離發(fā)射時(shí)，還會(huì)留下褐黑色的煙垢、火藥粒等射擊殘?jiān)?。槍擊裂紋特征如圖7所示。周毅錦等人［4］用不同的發(fā)射器，包括彈弓、弓弩、氣槍、鋼珠槍以及槍支等常見的射擊器進(jìn)行研究,通過對(duì)玻璃上孔洞形態(tài)的分類,定量的分析各類形態(tài)的大小,以此來確定發(fā)射器的種類。結(jié)果表明，制式槍支射擊的痕跡呈規(guī)則的圓形，有密集的第一放射紋區(qū)，第二放層裂區(qū)直徑在45mm以上。包清等人通過使用不同型號(hào)槍支在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行射擊實(shí)驗(yàn)，觀察射擊裂紋位置與形態(tài)，結(jié)果表明，槍擊鋼化玻璃會(huì)出現(xiàn)一個(gè)完整圓形區(qū)，并發(fā)現(xiàn)閉合圓形區(qū)裂紋出現(xiàn)的位置與子彈的速度與槍支型號(hào)等因素?zé)o關(guān)，取決于彈著點(diǎn)的位置[5]。

圖7 槍擊裂紋特征圖

3.2 高速拋擊裂紋特征

速度30m/s＜V＜70m/s的拋擊稱之為高速拋擊，常見的拋擊工具有彈弓、弩、氣槍等等，拋擊物通常有石子、鋼珠等。高速拋擊形成的孔洞近似于圓形或者不規(guī)則形態(tài)，孔徑大于物體的直徑，入口小、出口大，入口側(cè)邊緣鋒利、出口側(cè)有少量層裂。末梢紋分布于彈孔周圍、呈放射狀，末梢紋少，長(zhǎng)度變化大、較直。放射紋可從作用點(diǎn)擴(kuò)展至邊界，斷口的形態(tài)在作用點(diǎn)附近近似于柱面，在邊界附近扭曲較大，小的物體一般不會(huì)出現(xiàn)切向裂紋，大的物體拋擊時(shí)有可能出現(xiàn)切向裂紋。彈弓拋射石塊玻璃裂紋如下圖8所示。李如響等人[6]探究了鋼珠拋擊玻璃裂紋和槍擊玻璃裂紋的差異，得出了不同粒徑的鋼珠在不同距離打擊玻璃得到的痕跡基本相同，但是與槍彈射擊形成痕跡有很大差別，這樣的差別主要源于槍彈和鋼珠在空中運(yùn)動(dòng)軌跡方式的差異以及它們自身形態(tài)的不同，速度的差異會(huì)導(dǎo)致比動(dòng)能的不同，這會(huì)直接影響玻璃裂紋的形態(tài)。

圖8 彈弓拋射石塊玻璃裂紋圖

3.3 低速拋擊裂紋特征

當(dāng)拋擊速度小于30m/s時(shí)，稱之為低速拋擊。通常，裂紋的形態(tài)和物體尺寸相關(guān)，洞孔不規(guī)則，直徑可達(dá)數(shù)十厘米，放射紋數(shù)量少、不分叉、無轉(zhuǎn)折。末梢紋數(shù)量少，末稍紋前沿形態(tài)與高拋相同，裂紋斷口呈柱面。切向紋直徑變化大，圓形、不規(guī)則形，裂紋斷口呈柱面。斷面弓形紋特征也較明顯，弓形紋匯聚方向與高拋相同。石塊拋擊玻璃裂紋如圖9所示。

圖9 石塊拋擊玻璃裂紋圖

4.玻璃破碎裂紋分析

玻璃破碎裂紋分析，主要是根據(jù)裂紋的整體形態(tài)、裂紋的分布、局部形態(tài)及斷口的弓形紋，判斷沖擊方向、分析作用方式和打擊速度等。判斷玻璃破碎裂紋的打擊角度一直以來是這個(gè)領(lǐng)域的難題[7]，同時(shí)也有學(xué)者提出利用裂紋來判斷角度，并且可以達(dá)到一定精度[8]。

4.1 判斷沖擊方向

判斷沖擊方向是指根據(jù)玻璃破碎后形成的孔洞特征和裂紋特征分析物體的沖擊方向。準(zhǔn)確判斷沖擊方向，可以確定案犯進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的方位、判定現(xiàn)場(chǎng)是否偽造等情況。

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)玻璃碎塊分布位置判斷。玻璃受沖擊破碎后，多數(shù)碎塊會(huì)沿沖擊方向?yàn)R落，并分布在一定區(qū)域內(nèi)，判斷時(shí)應(yīng)注意現(xiàn)場(chǎng)有無掃帚清掃形成的可疑痕跡。通常，玻璃受擊碎裂后，多數(shù)碎塊沿沖擊方向?yàn)R落，并分布在一定區(qū)域內(nèi)，沖擊物與碎塊一般情況下都分布在同一側(cè)[9]。

（2）根據(jù)作用點(diǎn)斷口判斷。裂紋斷口能客觀地反映出玻璃的受力方向，它與碎塊及沖擊物的位置變化無關(guān)。該方法為有孔洞類優(yōu)先選取的、最準(zhǔn)確的判斷方法。不管是槍擊還是拋擊作用方式，不管是平板玻璃還是鋼化玻璃，不管玻璃是否被擊穿，形成的喇叭斷口均為入口小、出口大。

（3）根據(jù)斷口上弓形紋的匯聚方向判斷。玻璃受拋擊作用，可能出現(xiàn)放射裂紋、末梢紋和切向裂紋。其中，放射裂紋和末梢紋端口上弓形紋的匯聚方向相同，均是由玻璃的自由面向入射面匯聚，并且匯聚于作用點(diǎn)，而切向裂紋端口上弓形紋是由玻璃的入射面向自由面匯聚。

4.2 判斷作用方式

判斷作用方式應(yīng)根據(jù)玻璃的種類、厚度、所處的位置、與周圍建筑物的距離，孔洞的形態(tài)、尺寸、規(guī)則程度，玻璃破碎裂紋的形態(tài)、分布，現(xiàn)場(chǎng)找到疑似拋射物等方面綜合進(jìn)行分析，必要時(shí)可進(jìn)行玻璃模擬打擊實(shí)驗(yàn)。槍擊作用案件現(xiàn)場(chǎng)，彈頭在飛行過程中，其姿態(tài)保持穩(wěn)定，擊碎玻璃后能出現(xiàn)典型的裂紋特征。但是，當(dāng)飛行姿態(tài)變化時(shí)，即彈頭喪失穩(wěn)定性而翻滾的情況下撞擊玻璃，此時(shí)可能是彈頭的側(cè)面接觸玻璃，破碎裂紋與拋擊情況相似。此時(shí)，尋找彈頭就顯得至關(guān)重要。

5．結(jié)語

玻璃的破碎是多原因造成的復(fù)雜過程，槍擊玻璃破碎、高速拋擊玻璃破碎和低速拋擊玻璃破碎是實(shí)際案件中經(jīng)常遇到的，三者形成破碎的機(jī)理和痕跡特征不同，通過裂紋的特征判斷作用的方向和作用方式，為偵破實(shí)際玻璃破碎案件有指導(dǎo)意義。

[1]單大國.刑事科學(xué)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2016.

[2]張書杰，辛大勇.痕跡檢驗(yàn)學(xué)[M].北京：中國人民公安大學(xué)出版社，2015.

[3]張石城.風(fēng)擋玻璃自爆裂紋與機(jī)械載荷裂紋特征區(qū)別[J].刑事技術(shù),2009(3):47-48.

[4]周毅錦,周騰,李振健.平板玻璃上射擊痕跡分析[J].刑事技術(shù),2016,41(4):274-278.

[5]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.

[6]李如響,唐永,黃丹峰，等.玻璃上金屬彈丸打擊孔洞痕跡檢驗(yàn)1例[J].刑事技術(shù),2009(4):56-57

[7]Haag L C.Behavior of expelled glass fragments during projectile penetration and perforation of glass[J].Am J Forensic Med Pathol,2012,33(1):47-53.

[8]Wilgus G,White J B,Berry J.An investigation of the effects of laminated glass on bullet deflection[J].Journal of Forensic Identification,2013.

[9]黃群.特殊痕跡檢驗(yàn)技術(shù)[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社,2008.