物理钢化玻璃裂纹的形态特征分析

孟满 高琳

摘要：以钢化玻璃物理特性为基础，全面分析不同类型物理钢化玻璃破裂后的裂纹形态，论述了不同作用方式下钢化玻璃的规律性裂纹形态。认定钢化玻璃自爆原因时，应摒弃传统硫化镍成因绝对论，其他杂质颗粒以及结构缺陷在成因中也占很大比例。判断钢化玻璃受冲击而破裂的作用方式及相关信息，必须首先确认玻璃的钢化类型，再结合裂纹及开裂点具体形态，才可以为案件的侦破提供正确的侦查方向。

关键词：钢化玻璃自爆；蝴蝶斑；放射裂纹；切向裂纹；闭合圆环裂纹

中图分类号：TQ171.732文献标识码：A文章编号：2095-4379-（2017）11-0023-03

作者简介：孟满（1987-），男，满族，河北保定人，中国刑事警察学院，刑事科学技术专业在校硕士研究生，研究方向：特殊痕迹。

Analysis on morphological characteristics of physical tempered glass cracks

Abstract： Based on the physical properties of tempered glass，the article analyzes the morphological characteristics of cracks made from different tempered glass completely，and discusses the regular crack morphology by different mechanics modes.When we need to identify the source of self-fracture，should abandon the doctrine of absolute nickel sulfide，it could be caused by structure defects and other impurity particles.For identifying the mode and related information of the glass fracturing，we should confirm the type of glass firstly，then combine with cracks and cracking point，can indicate the correct direction in investigation stage.

Key words： Self-fracture in tempered glass；Butterfly rash；Radiated cracks；Tangential crack；Closed-circle crack

玻璃裂紋痕迹作为特殊痕迹中的一种重要物证，一直是公安技术中较为棘手的学科，因为玻璃材料自身结构具有长程无序、微不均匀和不连续性的特点，其在破裂时，裂纹表现出规律性的同时，也会有一定程度的随机性。在目前的研究水平下，有些问题仍在探讨阶段，以现有的科技能力，我们尚不能完全、准确的预测出玻璃破裂时裂纹的全部信息。由于钢化玻璃表面层存在均匀分布的永久压应力，内层同时存留张应力，在破裂时更加难以预测裂纹的准确形态，但其仍然表现出一定的规律性。

玻璃的物理钢化是把玻璃加热至低于软化温度（其黏度值高于108Pa·s）后，将玻璃迅速冷却，玻璃外部因迅速冷却而固化，而内部冷却较慢，从而使玻璃内产生很大的永久应力，在冷却后使玻璃内部具有均匀分布的内应力。[1]影响物理钢化玻璃钢化程度大小的因素主要有钢化温度、冷却强度和玻璃厚度，钢化程度越高，玻璃中的应力越大，玻璃中内应力的大小与分布的均匀程度是钢化程度的重要特征，宏观上利用破碎后钢化玻璃颗粒尺寸的大小及均匀程度来表征、检验考核钢化玻璃中应力分布的均匀程度和钢化程度。[2]

一、钢化玻璃自爆的原因及裂纹形态

钢化玻璃是由玻璃原片经再加工制成，在原片玻璃中往往存在硫化镍（NiS）结石。镍来自玻璃生产设备上使用的各种含镍合金部件及窑炉中的耐热合金，硫来自生产原料及燃料中的含硫成分。硫化镍在温度超过1000℃后，会以液滴的形式存在于熔融的玻璃液中，最终以α晶型存在于钢化玻璃中，在室温环境中，α晶型硫化镍并不稳定，有逐渐转变为β晶型的趋势，这种转变会使硫化镍结石发生2%-4%的体积膨胀，从而在局部产生应力集中，最终导致整块钢化玻璃以这一点开始发生破裂，即我们所说的“自爆”现象。[3-5]由于硫化镍是在生产过程中产生的，以现在的技术手段并不能完全清除玻璃中的硫化镍结石，所以“自爆”现象并不能完全避免，在生活中常有发生。除了玻璃中的硫化镍结石，还有其他杂质颗粒同样会造成玻璃的“自爆”，如单质多晶硅、氧化铝、硅铝酸钠等，这些颗粒造成的破碎与硫化镍机理非常相似，[6]同时玻璃中存在的微气泡、夹杂物等同样会在温度的影响下，发生与玻璃热膨胀系数不匹配，从而导致应力的集中，最终发生“自爆”。玻璃中若存在可见的缺陷，如表面划痕或者边缘缺陷，同样可造成“自爆”现象的产生，但这些可见的缺陷一般会在安装前发现，从而被剔除。

钢化玻璃的自爆形态具有非常典型的特点，其整体碎片成放射状分布，蝴蝶斑是钢化玻璃自爆最明显的特征，在玻璃裂纹中明显可以看到起爆位置处有两小块多边形组成的类似蝴蝶翅膀图案的碎片，如图1，红圈内的两块不规则多边形特征明显。蝴蝶斑中间的界面位置处通常为起爆点发生处，起爆点均处在玻璃的内部，而不会出现在表面位置，如图2，可以看到明显的小点，此点即为起爆点。在判断钢化玻璃破碎原因是否为自爆时，不可单凭蝴蝶斑碎块，一定要结合起爆点的位置以及杂质颗粒。机械冲击造成的裂纹碎块同样可以呈现出形似蝴蝶斑的特征，在钢化玻璃破裂临界冲击力作用下，有时也可以看到在冲击点位置出现两小块类似蝴蝶翅膀的碎片，且没有明显的冲击孔洞。

二、钢化玻璃受机械冲击破裂的裂纹形态特征

（一）半钢化玻璃的裂纹形态特征

钢化玻璃按照钢化程度可分为半钢化玻璃和钢化玻璃，半钢化玻璃与钢化玻璃生产过程相同，但在淬冷工位的风压有区别，冷却能较钢化玻璃要小。半钢化玻璃的表面压应力在24-52MPa之间，钢化玻璃表面压应力大于69MPa，半钢化玻璃的强度是退火玻璃的两倍以上，介于普通玻璃与钢化玻璃之间。玻璃原片受到半钢化处理后能经受约75℃的温差，且半钢化玻璃不会发生自爆现象。半钢化玻璃适用于幕墙和外窗，可做成镀膜钢化玻璃，钢化后畸变程度优于钢化玻璃。

半钢化玻璃在破裂时，裂纹成放射状，在整块玻璃上只有放射纹，基本不存在切向纹，而且每一条放射纹都会延伸到玻璃的边界，放射纹的拐点基本不存在，与普通玻璃和钢化玻璃区别较大。由于半钢化玻璃基本不存在切向纹，所以，半钢化玻璃在受到机械冲击作用破裂后，仍能保持整体不塌落。

（二）钢化玻璃的裂纹形态特征

在实际案件中，钢化玻璃受到机械冲击作用，按照作用方式主要分为撬压、敲击、枪击。为防止碎片，本次冲击实验部分的钢化玻璃样本，均采用低弹性模量的胶布覆盖在玻璃试样的加压面上，由于玻璃为典型的高弹性模量材料，胶布的覆盖并不会对裂纹的生长产生宏观影响。钢化玻璃尺寸为40*40cm，厚度为4.8mm，钢化方式为物理钢化。撬压钢化玻璃作用点多在玻璃的边缘，裂纹起点也可以在玻璃边缘明显观察到，较易分辨。使用逃生锤敲击钢化玻璃中心得到图3，可以看到从敲击点辐射出多条放射纹，且每一条放射纹均一直延伸生长到玻璃的边缘。同时以敲击点为中心，产生了多条切向纹，切向纹出现位置不确定，在放射纹只有在与切向纹相交时，才会出现拐点或分叉，并未形成闭合类圆环裂纹。但假若敲击力量足够大，在理论上，同样可以产生以敲击点为中心的闭合圆环裂纹。

使用快排吹仿真气枪发射直径8mm钢珠，模拟枪击钢化玻璃，通过激光测速仪测速，冲击尺寸为40*40cm，厚度为4.8mm的钢化玻璃得到图4、5，可以发现在速度较低时，钢化玻璃破裂后产生的裂纹分布与敲击产生的裂纹基本无异，如图4（速度为77.26m/s），冲击点出现形似喇叭口的圓形弹孔，以弹孔为中心辐射出多条放射纹，且每一条放射纹均一直延伸生长到玻璃的边缘。同时以弹孔为中心，产生了多条切向纹，切向纹出现位置不确定。在钢珠冲击速度较低时，切向纹不形成或只能形成开放的类圆环裂纹；在钢珠冲击速度较高时，可以形成闭合类圆环裂纹，如图5（速度为231.15m/s）。类圆环裂纹是否可以形成受以下两个因素影响：1、钢珠的冲击动量；2、钢化玻璃的抗冲击强度，其中包括钢化玻璃的种类、玻璃的厚度以及钢化程度等自身因素。但闭合类圆环的直径大小与弹头的初速度及弹头质量之间并没有显著的相关性，而与玻璃的规格尺寸之间存在对应关系，受玻璃规格尺寸制约影响大，有着显著的相关性。这为利用残缺的玻璃弹孔位置进一步判断枪击的位置及角度打下了基础。对于枪击钢化玻璃来说，大多枪支会在弹孔周围形成环形裂纹。[7-8]

三、总结

随着钢化玻璃在日常生活中日益增多的应用，钢化玻璃裂纹形态的研究在痕迹检验中越来越具有实际意义。钢化玻璃的裂纹形态具有一定的规律，但其表现形式受到自身材料性能和破坏方式两方面因素影响，而表现出几种典型的特征：半钢化玻璃裂纹成放射状，在整块玻璃上只有放射纹，基本不存在切向纹，而且每一条放射纹都会延伸到玻璃的边界，不存在放射纹的拐点；自爆破裂的裂纹，除具有普通钢化玻璃的放射纹和切向纹外，还有明显的蝴蝶斑与内部起爆点；受机械冲击作用的钢化玻璃，破裂程度受玻璃材料本身性能和冲量大小影响，且冲量越大，闭合圆环越易出现。若想根据钢化玻璃的裂纹形态准确判断破裂方式及相关信息，必须考虑钢化玻璃的材料类型、钢化方式及程度，结合裂纹及开裂点的具体形态，才可以为案件的侦破提供正确的侦查方向。

[参考文献]

[1]赵彦钊，殷海荣.玻璃工艺学[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]田纯祥.钢化玻璃的钢化程度[J].玻璃，2009，215（8）：30-32.

[3]Swain M V.A fracture mechanism description of the microcracking about NiS inclusions in glass.Journal of Non-Crystalline Solids，1980：38-39：451-456.

[4]Swain M V.Nickel sulfide inclusions in glass：an example of microcracking induced by a volumetric expanding phase change.Journal of Materials Science，1981，16：151-158.

[5]Leon Jacob.A Review of the Nickel Sulphide Induced Fracture in Tempered Glass.Proceeding on Glass Processing Days，Finland，2001：108-110.

[6]包亦望，刘正权.钢化玻璃自爆机理与自爆准则及其影响因素[J].无机材料学报，2016，31（4）：401-406.

[7]包清，梁帅.浅析枪击钢化玻璃切向、环形裂纹痕迹[J].中国司法鉴定，2016，1（84）：45-50.

[8]戴林.特殊痕迹检验[M].北京：警官教育出版社，1994：31-52.