钢化玻璃破碎裂纹特征实验研究

梁帅

（铁道警察学院 河南郑州 450000）

钢化玻璃破碎裂纹特征实验研究

梁帅

（铁道警察学院 河南郑州 450000）

实验器材：300mm×300mm×5mm钢化玻璃若干，透明贴膜若干，喷雾器一只，钢化玻璃固定架一个，自制弹弓，Φ7㎜、Φ9㎜钢珠，铁块，尼康D5200单反相机一台；相机固定架一台。实验样本：取同一批次的300mm×300mm×5mm钢化玻璃若干，将透明贴膜贴在钢化玻璃板上，钢化玻璃实验样本基本完成。粘胶带的一面作为入射面，分别用Φ7㎜、Φ9㎜钢珠以不同速度垂直抛击、用铁块敲击，钢丝钳敲击，锤子方面敲击和敲边制作钢化玻璃实验样本。通过对钢珠抛击、铁块抛击分别进行定量化研究，为不同速度、不同抛击物对钢化玻璃破碎裂纹影响的研究提供出参考，为区分抛击物体种类、判断抛击破坏钢化玻璃案件性质提供依据。

钢化玻璃；破碎裂纹；裂纹分析

普通平板玻璃破碎裂纹痕迹特征方面的研究已经趋于成熟。然而钢化玻璃破碎痕迹与抛射物飞行速度相关性分析研究还未形成理论体系。钢化玻璃属于安全玻璃，是一种预应力玻璃，为提高玻璃强度、硬度，使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高承载能力，增强玻璃自身抗风压性，寒暑性，冲击性等[1]。

在刑事侦查、保卫、治安工作中，经常遇见钢化玻璃破裂的问题，因此我们可以通过研究钢化玻璃裂纹的种类和裂纹形态判断抛击物飞行的速度，以此推断抛击物的客体种类。制作抛击实验样本，总结抛射后形成的破碎裂纹形态的分析，为区分被抛击客体提供实验数据和理论支持，发现不同抛击破碎裂纹痕迹特征，掌握快速确定抛击物的侦查破案方法。

一、钢化玻璃破碎原理

钢化玻璃破碎情况是从玻璃内部开始，在玻璃张应力层最大处开始出现微裂纹，该微裂纹尖端的曲率半径非常小，根据Griffith裂纹扩展理论，在尖端存在应力集中，一旦尖端应力达到玻璃强度极限，裂纹开始扩展，随着裂纹扩展，裂纹尺寸增大，应力与裂纹尺寸的平方成正比，而玻璃等脆性材料没有吸收大量能量的塑性变形，故应力恶性循环增大，材料快速断裂。

钢化玻璃在承受外荷载作用时会发生相应的弯曲，张力应力区向下移动，上部压力应力区扩大，下部压力应力区缩小(如图1所述)。在达到极限荷载时[2]，张力应力区移动到玻璃边部，玻璃破裂。玻璃碎裂是由拉应力引起的，并且它起始于玻璃的表面。由于其表面存在微裂纹，断裂过程就是这些裂纹逐渐扩展的过程，由于钢化玻璃表面受到外压力，首先外力要克服钢化玻璃表层的压应力，使钢化玻璃表面的拉应力超过压应力抗拉强度极限而产生裂纹。但是，钢化玻璃一旦被击碎，裂纹端处的拉应力就会超过其抗拉强度，裂纹就会迅速地向四周扩散，爆炸性地游离，使整块钢化玻璃破碎成没有尖锐角的小颗粒块状。因此钢化玻璃的破裂是由分布在压力应力区到张力应力区的损伤引起。

钢化玻璃的断裂首先是处于张应力的内部拓展，然后当内部张应力松弛时在表面压应力释放之后，断裂才贯穿到表面。

图1 玻璃的横截面、以及边部区域受力图

二、钢化玻璃破碎痕迹特征

钢化玻璃在外界载荷作用下，首先在中心层产生微裂纹，微裂纹将在内应力作用下扩展。如果内拉应力足够大，裂纹将加速传播并开始分叉。由于应力是双轴的，即沿X方向和Y方向分布。故裂纹可以在与玻璃表面垂直的任何平面内扩展。因此，从原始裂纹产生的两个分支将会扩展而且再形成分支，次过程延续到整个玻璃，直到碎裂成大量的没有尖锐角的小颗粒块状碎片为止。裂纹开始在中间拉应力带中进行扩展，并不扩展到玻璃的表层，此时，需要一个外加力才能使得这些碎片分离。当钢化玻璃受到高度集中的应力（枪击）作用时，可以在作用点附近的区域内形成放射纹，裂纹在内应力作用下迅速扩展并且进行分叉，因此在边界附近，碎块呈矩形分布。在作用点处也可以形成喇叭口状脱落[3]。

钢化玻璃裂纹断口形态不受载荷作用方式的影响。无论是枪击或是抛击，断口形态均为柱面，在两条末梢纹之间有切向裂纹，断面上有时可出现弓形纹，其汇聚方向是从入口向出口，由于钢化玻璃表层分布着永久压应力，而中心层分布着永久拉应力，因此裂纹扩展时，中心层的扩展速度超前于表层，其弓形纹的形态呈抛物线形分布（见图2）；且切向裂纹断面面积很小，因此弓形纹不易观察。

图2 钢化玻璃裂纹断口上的弓形纹

三、实验材料及方法

（一）实验器材。

实验装置：300mm×300mm×5mm钢化玻璃若干，透明贴膜若干，喷雾器一只，钢化玻璃固定架一个，自制弹弓，Φ7㎜、Φ9㎜钢珠，铁块，尼康D5200单反相机一台；相机固定架一台。

测量工具：卷尺，直尺、比例尺、测速仪。

（二）实验样本的制作。

取同一批次的300mm×300mm×5mm钢化玻璃若干，将透明贴膜贴在钢化玻璃板上，钢化玻璃实验样本基本完成。粘胶带的一面作为入射面，分别用Φ7㎜、Φ9㎜钢珠以不同速度垂直抛击、用铁块敲击，钢丝钳敲击，锤子方面敲击和敲边制作钢化玻璃实验样本[4]。

（三）测速方法。

将激光测速仪置于工作状态，把Φ7㎜、Φ9㎜钢珠装入自制弹弓包，控制橡皮筋的长度，在规定的长度区间抛击钢珠，每一拉伸长度抛击三次，并分别记录下测速仪显示屏上的数值，最后求出每一固定长度下的速度平均值[5]。

四、实验结果讨论

不同速度区间Φ7㎜、Φ9㎜钢珠、铁块抛击300mm×300mm×5mm钢化玻璃样本如图2所示：

图3 钢化玻璃样本

由于抛击钢化玻璃破碎产生的裂纹形态不稳定，所以选择4组统计数据中的3组相近数据进行统计分析，通过分析，总结抛击钢化玻璃破碎裂纹特征[6]。

孔洞：钢珠抛击和铁块抛击均未能穿透钢化玻璃；钢珠抛击形成的孔洞为圆形，而铁块抛击形成的孔洞形状不规则；孔洞直径与抛击速度具有正相关的关系，由35m/s时的1mm增加到85 m/s时的8mm。铁块抛击形成的孔洞大小则于铁块本身的质量、速度和形状有关。

层裂区：三者均有碗状喇叭口出现，出口直径大于入口直径，钢珠抛击时入口周围平整边缘锐利，铁块抛击时入口周围粗糙边缘锐利；喇叭口直径不变，直径范围均在20mm左右浮动。

放射纹线条数：三者抛击钢化玻璃破碎产生的放射纹的数量与抛击速度具有正相关的关系。距离孔洞中心相同半径处裂纹条数基本相同。

切向裂纹：切向纹大多为弧状、也有直线形，半径随着抛击速度的加快而减小。半径基本相同均在20-35mm之间。

闭合圆环区：三者都没有形成闭合圆环区，与枪击钢化玻璃特征明显不同。

裂纹和碎片：钢珠抛击使钢珠获得的速度低、动能小，作用力小，放射纹基本不发生扭曲，裂纹以孔洞处为中心传播并开始逐渐分叉，分支将会扩展而且再形成分支，延续到整个玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，碎块面积较小，碎块破碎较为完全。抛击速度越快形成的矩形玻璃碎片越多。矩形玻璃碎片数目接近，距离孔洞中心相同半径处的碎片面积相当。

断口及弓形纹：钢珠抛击钢化玻璃断口形态为柱面，断口上有抛物线状的弓形纹(图2)；弓形纹的形态为抛物线状，无法区分打击方向。但是形成的放射末梢纹形态呈单刃刀状，但是其出口侧长，入口侧短，与枪击形成的放射末梢纹形态正好相反；抛击形成的放射末梢纹形态如图（1.k）所示，此时垂直指向纸面的方向为入射方向。同时，放射末梢纹的数量与抛击速度也具有正相关的关系。铁块抛击钢化玻璃断口形态也为柱面，断口上有抛物线状的弓形纹(图2)；弓形纹的形态为抛物线状，铁块抛击也无法形成放射末梢纹，无法区分打击方向。

五、结论

观察分析不同抛击物抛击钢化玻璃裂纹，总结裂纹特征：不同客体抛击钢化玻璃，均能观察到明显的着力破碎点。裂纹以着力点处为中心向四边传播并开始逐渐分叉，分支将会扩展而且再形成分支，延续到整块钢化玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，距离着力点处越远破碎的矩形碎片面积越小；形成的孔洞形状和大小与抛击物飞行速度、质量和抛击物形状有关。抛击物飞行速度越大形成的孔洞越大，抛击物直径越大形成的孔洞也越大，孔洞的形状与抛击物接触面的几何形态基本形同；形成的喇叭口形状与大小与抛击物体飞行速度并无直接的关系；抛击钢化玻璃破碎程度与抛击速度具有正相关关系；距离着力点处相同半径处裂纹条数明显增多，切向纹半径减小，形成的矩形玻璃碎片增多，距离着力点相同半径处矩形玻璃碎片面积减小；抛击断口均为柱面，抛击钢化玻璃由于弓形纹的形态为抛物线状，无法利用弓形纹区分打击方向。其中钢珠抛击钢化玻璃根据放射末梢纹判断入射方向，

通过大量实验，对钢珠抛击、铁块抛击分别进行定量化研究，为不同速度、不同抛击物对钢化玻璃破碎裂纹影响的研究提供系统化的理论依据。为区分抛击物体种类范围对抛击破坏钢化玻璃案件性质判断和提供线索具有指导作用或参考价值。

[1]姚国文，刘占芳.高速冲击条件下玻璃材料的破坏分析[J].重庆大学学报，2001，(5). [2]陈建华.击碎玻璃的检验[M].北京：群众出版社，1985.

[3]戴 林.特殊痕迹检验[M].北京：警官教育出版社，1994．

[4]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):45-50.

[5]郑其双，郭 威.92式手枪发射9mm手枪弹击穿5mm普通平板玻璃形成的裂纹实验研究[J].湖北：湖北警官学院学报，2012，（12）:166-168.

[6]李德仲，李国安.枪弹痕迹检验技术[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

（责任编辑：吴良培）

2017-02-01

梁 帅，（1989- ），男，山东人，铁道警察学院公安技术系教师，研究方向：刑事技术。