钢珠弹丸侵彻玻璃的痕迹研究

杜周绩　刘爽　朱亚峰　周毅锦

【摘 要】钢珠弹丸造成的玻璃破损痕迹在现场中最为常见。由于缺乏可靠的实验数据做支撑，痕迹分析时难以给出弹丸大小及发射状态的判断。本文选用发射钢珠弹丸常用的小型器具：弓弩、弹弓、钢珠枪等，研究钢珠在平板玻璃和钢化玻璃上形成的侵彻痕迹。结果表明，玻璃侵彻痕迹中痕迹类型的组合及中心孔洞大小是判断钢珠直径和速度的依据。平板玻璃上孔洞的形态以及羽毛状痕迹的分布可以明确钢珠的侵彻角度和方向，钢化玻璃上没有出现明显的表征侵彻状态的痕迹特征。

【关键词】钢珠；玻璃；侵彻；痕迹检验

中图分类号： D918.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0070-004

Research of Penetration Marks on Glass By Steel Ball Projectile

DU Zhou-ji1 LiU Shuang2 ZHU Ya-feng1 ZHOU Yi-jin1

（1.Jiangsu Police Institute，Nanjing Jiangsu 210031，China；

2.Criminal Investigation Detachment Of Xuzhou Public Security Bureau，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

【Abstract】Mark evidence on glass caused by the steel ball projectile occurs mostly in crime scene.Due to the lack of reliable experimental data to support，it is difficult to confirm the size of the projectile and the shooting state.The ball projectile commonly used portable devices，such as crossbow，slingshot，ball gun.Penetration marks on flat glass and tempered glass with these devices were researched.The results show that the combination of glass penetration marks pattern and the center hole size can be used to deduce the speed and the diameter of steel ball.The hole shape and the feather-like crack on flat glass can show the ball penetration angle and direction clearly.There is no characteristics of penetration Mark is significant for shooting State of judgment on tempered glass.

【Key words】Steel ball；Glass；Penetration；Trace inspection

0 引言

玻璃破碎痕跡在现场屡见不鲜，由于这一类痕迹明显而易于被发现，极易造成民众的恐慌。由于钢珠获得途径便易，射击过程有一定的稳定性和趣味性，以钢珠为弹丸的射击器具被许多射击爱好者所热衷，钢珠造成的玻璃破坏案件在现场勘查中也比较常见。根据痕迹类型区分发射物是钢珠、气枪弹还是火药弹已经有文献进行了方法分析[1]，但是针对钢珠弹丸的射击状态研判，如射击方向，射击速度及所采用的射击器具判断，技术人员经常不知从何入手。面对玻璃上的孔洞和裂纹，特别是因为钢珠掉落不能被发现时，由于缺乏可靠的实验数据做支撑难以给出弹丸大小及发射状态的判断。

本文选用了弓弩、弹弓、钢珠枪等便于携带的小型低速钢珠发射器，分别在平板玻璃和钢化玻璃上制作钢珠弹丸的侵彻痕迹，通过研究痕迹的大小、分布和形态等特征判断钢珠的大小和发射状态。

1 痕迹类型的分类

玻璃具有隔声和一定的保温性能，其抗拉强度远小于抗压强度，是典型的脆性材料。平板玻璃受到钢珠弹丸射击，在入射点上产生压应力，入射点背面对应产生拉应力，当拉应力的大小超过了玻璃的抗拉强度后，玻璃的入射点背面便会率先碎裂。碎裂处从剖面来看呈“八”字形喇叭状，喇叭口小的一端指向入射方向，如图1（a）。

钢珠相较气枪弹、制式子弹的射击能量小很多，因此在玻璃上形成的痕迹类型也随着钢珠弹丸的大小、出射速度的不同，呈现规律性的变化。

1.1 平板玻璃上的侵彻痕迹类型

当钢珠侵彻平板玻璃的能量较低时（小弹丸或者低速状态），平板玻璃在受打击的背面一般会发生圆锥形的整体脆性剥落，出现如图1（b）中光滑的类似球窝状的痕迹，称为光滑球裂区，孔洞位于该区的中心。随着射击能量的增大，玻璃背面不再出现光滑球裂区，而是在孔洞周边集中受力区出现环形密布的白色放射状短小裂纹，呈现白色不透明的环形区域，称为泛白区。在光滑球裂区和泛白区外围伴随出现有一个小范围直径的碎片剥落，并有零星分布的放射状裂纹，该范围称为碎片剥离区，如图1（c）。除该区内的玻璃有缺损外，其他区域玻璃基本是完整的，只是内部有裂纹存在。

只要玻璃破坏存在规则的孔洞形状，一般都有从孔洞中心往外分布的痕迹规律，顺序为光滑球裂区或者泛白区、玻璃碎片剥离区，裂纹区。对于不规则孔洞形状的破坏，或者大面积的玻璃碎落，则难以勘查到有分析价值的痕迹。endprint

1.2 钢化玻璃上的侵彻痕迹类型

钢化玻璃的机械强度、抗冲击性、抗弯强度均较普通玻璃高，但钢化玻璃表面的高应力分布，使得其表面脆性断裂更为突出。当受到钢珠弹丸的破坏时，玻璃受力面背部的拉应力一旦突破钢化玻璃表面的高应力，玻璃表面便会产生链式开裂，裂纹会扩展至整个玻璃表面。

钢珠弹丸在钢化玻璃上的入射点背面也会造成圆锥形的整体脆性剥落。但是由于钢化玻璃的高应力脆性开裂，圆锥形碎块剥离后，难以在单层钢化玻璃表面上保持一个整体光滑的类似球窝状的痕迹，孔洞周边的玻璃布满放射状的小裂纹，因此单层钢化玻璃背面一般不会出现光滑球裂区，只有泛白区的存在，如图2。对于建筑外墙常用的夹胶玻璃，或者厚度超过10mm的钢化玻璃，由于入射面的玻璃强度得到加固，圆锥形碎块剥落后，孔洞周围没有发生开裂，则会出现光滑球裂区。

泛白区的外围是环状分布的长条状放射纹区，该区是主要是将射击点的应力向外放射性地快速传导出去，传导速度快导致环形裂纹来不及形成，从而裂纹呈现从中心向外围均匀排布的长条形放射纹，而在长条状放射纹区外围则是应力低速并持续传导的区域，在放射状传导和环向传导的共同作用下，即呈现钢化玻璃的颗粒状破碎。

因此，钢化玻璃在受到钢珠侵彻时，从孔洞中心往外分布的痕迹规律顺序为泛白区、长条状放射纹区，颗粒状裂纹区。由于钢化玻璃的内部组织应力分布更为致密紧凑，因此在痕迹类型的稳定性上较平板玻璃稳定。

a：弓弩-6mm钢珠以49m/s射击4mm平板玻璃形成的侵彻痕迹；b：弹弓-6mm钢珠以43m/s射击4mm平板玻璃形成的侵彻痕迹；c：弓弩-8mm钢珠以44m/s射击5mm平板玻璃形成的侵彻痕迹。

2 实验设计

按照国家建筑玻璃应用技术规程的要求，小于60cm*60cm面积时一般采用厚度在4mm左右的平板玻璃。使用面积在4平米内一般采用6mm厚度的钢化玻璃。现场中最常见的也是4mm左右的平板玻璃和6mm左右的单层钢化玻璃。由于在玻璃破碎的应力计算中发现[2]，痕迹类型集中的孔洞中心区痕迹形成时间区间内，应力传导还没有影响到300mm*300mm大小的玻璃边缘固定区，因此本实验选用300mm*300mm大小的3.5mm-4.5mm厚平板玻璃和5.8mm-6.0mm厚钢化玻璃。

钢珠弹丸发射器的发射能量一般是取决于发射者的臂力，不管是弓弩或者是弹弓，发射者对弹簧钢丝或者皮筋的拉伸范围决定了弹丸的出射速度。表1中列出了本实验所使用的发射器及正常发射速度，发射者为青年男性，体重160KG到70KG之间，身高168到176之间。钢珠枪的发射能量一般是固定的，略低于弹弓和弓弩。钢珠速度过低，难以在玻璃上形成痕迹，速度大于表中的速度，则会产生大面积的玻璃碎落，难以分析。

表1 钢珠发射器口径及速度

实验中用于测量钢珠速度的是无锡帆鹰产FDX-IV危险枪支射击架和FLGM-V枪弹激光测速仪。各类痕迹的测量是以量取多个数据的平均值。如孔洞大小的测量，孔洞完整的情况下，测量6个不同方向的直径，求平均值；孔洞有缺失无法复原的情况下，测量最小方向上的3-4个数值进行平均值计算。

3 结果与讨论

3.1 钢珠弹丸侵彻的痕迹分析

痕迹的侵彻程度一般用能量或者比动能来表征，钢珠的不同大小和速度组合能产生相同的动能或者比動能，且在对玻璃上的侵彻痕迹类型进行测量分析后发现，任何一类的痕迹尺寸与动能和比动能都没有相关性，因此在玻璃侵彻痕迹分析中应用动能、比动能的概念没有实际意义。玻璃的侵彻痕迹中只有痕迹类型的出现率以及中心孔洞的大小可以直接反映钢珠的大小和速度。

通过现场的痕迹勘查，可以得到平板玻璃上孔洞、光滑球裂区、泛白区、裂纹区的分布情况和钢化玻璃上孔洞、泛白区、长条状放射纹区的分布情况，这些痕迹类型的组合可以用来确定钢珠的大小和速度。

3.1.1 平板玻璃上的侵彻痕迹分析

在对平板玻璃的痕迹类型分析中发现， 6mm钢珠的侵彻痕迹中80%会出现光滑球裂区，8mm及以上的钢珠一般没有光滑球裂区。钢珠速度低于50m/s会出现泛白区，高于这个速度基本不出现泛白区。痕迹现场的玻璃侵彻痕迹中平板玻璃的孔洞和碎片剥离区是一定存在的，并且可以直接测量孔洞大小和碎片剥离区的大小。

（a）痕迹孔洞直径和碎片剥离区直径的关系

（b）痕迹孔洞直径和侵彻速度的关系

图3（a）展示了6mm、8mm、10mm和12mm直径的钢珠，速度区间40m/s-100m/s侵彻平板玻璃的痕迹孔洞直径和碎片剥离区直径的数据分布。由图可见，不同大小的钢珠在碎片剥离区反映的破坏力相对比较稳定，直径约在15mm-30mm之间，而孔洞直径则随钢珠直径变大呈现逐步增大的趋势。6mm钢珠留痕孔洞直径一般低于5mm，8mm钢珠的孔洞直径处于5mm-10mm之间，6mm、8mm钢珠的孔洞直径递增趋势明显。10mm和12mm的钢珠，由于在平板玻璃上留痕速度偏低，和8mm钢珠的孔洞直径范围有交叉，但是玻璃的碎片剥离区直径较8mm钢珠偏大。因此，在现场研判中，5mm、6mm和8mm的钢珠痕迹相对比较容易判断，但是10mm和12mm形成的钢珠痕迹与8mm钢珠形成的痕迹则较难加以区分。

图3（b）中是不同大小钢珠形成的孔洞直径和侵彻速度之间的关系。图中孔洞直径与侵彻速度直接相关，钢珠速度与痕迹孔洞直径基本成正比，数据分布的离散度稍大，这符合玻璃受损时表面脆性导致的孔洞大小不稳定。不同直径的钢珠的孔洞直径与侵彻速度分布区域也比较明确，随着钢珠直径增大，孔洞直径也增大。

判断钢珠大小和侵彻速度时可以由痕迹类型的出现组合，孔洞直径和碎片剥离区直径推断出钢珠直径范围后，再结合孔洞直径，得到钢珠的侵彻速度。endprint

3.1.2 钢化玻璃上的侵彻痕迹分析

钢化玻璃上的痕迹反映稳定性较好，图4（a）中，孔洞直径随着钢珠大小有着明显的分布，而泛白区的直径数据也相对集中，只有10mm钢珠的泛白区直径离散度较大。6mm钢珠孔洞直径一般在7mm以下，10mm钢珠孔洞直径在8mm以上。

图4（b）显示，同一种钢珠随着侵彻速度的增大，痕迹孔洞直径并没有变大的趋势。在对孔洞直径和泛白区的数据分析中，反而有痕迹随侵彻速度的增大而略微变小的趋势。这表明，钢化玻璃中孔洞和泛白区的形成，取决于玻璃受到侵彻时的瞬间。侵彻速度越快，能量作用时间短，痕迹区范围越小，而剩余能量快速被玻璃表面的初始裂纹的链性传导出去，形成长条状放射纹区。长条状放射纹区的直径的离散度很大，不具备规律性。因此钢化玻璃的弹丸大小和可以依据孔洞的大小进行判断，但是侵彻速度则不易分析。

3.2 钢珠弹丸侵彻玻璃的角度和方向分析

3.2.1 钢珠弹丸侵彻平板玻璃的角度和方向分析

1）钢珠弹丸侵彻平板玻璃的角度分析

a：8mm钢珠与玻璃表面夹角45°侵彻4mm厚度平板玻璃（速度70m/s） 7 0μs时玻璃内部产生的应力分布；b：6mm钢珠与玻璃表面夹角30°侵彻4mm厚度平板玻璃（速度58m/s）形成的椭圆形孔洞；c：8mm钢珠与玻璃表面夹角40°侵彻4mm厚度平板玻璃（速度50m/s）在出口处形成的尖刀形羽毛状的剥落；d：6mm钢珠与玻璃表面夹角30°侵彻6mm厚度钢化玻璃（速度76m/s）。

钢珠侵彻玻璃时，作用力方向和侵彻过程中能量损减的变化，使得痕迹中孔洞的形态产生变形。由于玻璃的脆性，即使在弹丸垂直侵彻的痕迹中孔洞也有少量变形，因此，在痕迹分析中只有部分角度的射击痕迹得以反映。

图5（a）中展示了8mm钢珠以70米/秒速度，与玻璃表面夹角 45°侵彻4mm厚度玻璃，侵彻时间为70μs时，玻璃内部产生的应力分布，入射方向为从左向右[2]。红色和黄色部分为高应力区，容易产生碎裂。可以看到玻璃的左半部（入射部分）应力集中分布，且应力水平较高，因此产生的裂纹密集紧凑，而玻璃的右半部分（出射部分），玻璃内部应力分布面较大，痕迹面也相对较大且呈现发散状裂纹分布。

在平板玻璃的29个角度射击的样本中，10例为入射方向与玻璃表面夹角小于45o侵彻（含45o），19例为入射方向与玻璃表面夹角大于45o侵彻。孔洞形状出现如图B中的类椭圆形孔洞共8个样本，均为夹角小于45o的钢珠形成，夹角大于45o的19例样本中未出现类椭圆形孔洞，如图5（b）。夹角大于45o的孔洞形态与与垂直射击的孔洞形态难以区分。所以当现场破碎的平板玻璃中，如果出现类椭圆形的孔洞形状的时候我们基本可以断定这是为角度射击，且射击角度与玻璃表面夹角一般小于45°。而射击角度与玻璃表面夹角大于45°孔洞形态与垂直射击的孔洞形态难以区分。

2）钢珠弹丸侵彻平板玻璃的方向分析

在19个角度射击的样本中有13个样本出现入射方向与出射方向的痕迹分布不均现象，如图5（c）中所示。痕迹面孔洞右半部分（出射部分）或有尖刀形羽毛状的玻璃弧形剥落，或有逐渐扩大的层层剥落的片状花纹，或有多条汇聚的放射状裂纹。特别是尖刀形羽毛状裂纹，均出现在出射方向上。而入射方向上由于作用力较大且作用时间短，裂纹紧凑均匀，少有玻璃层片状剥落现象。因此，判断钢珠的入射方向可以从能量的角度分析，能量集中且作用时间短的一面判断为入射方向，能量传播面广，且作用时间长的为出射方向。这种痕迹分布不均匀的现象在垂直射击的痕迹中不明显。

3.3 钢珠弹丸侵彻钢化玻璃的角度和方向分析

钢化玻璃上，在对7个不同角度射击的样本分析中，孔洞中心区没有发现如同平板玻璃的痕迹分布不均匀现象，孔洞也没有出现类似椭圆形孔洞，分析原因是由于钢化玻璃的表面本身存在高应力，入射瞬间钢珠突破钢化玻璃的表面高应力后，玻璃即刻发生链性开裂，能量产生一部分释放，即使玻璃内部继续受侵彻时产生应力分布不均，则在原有的裂纹基础上延伸并得以释放，不会在中心区再产生新的剥裂状痕迹。因此，痕迹中心区没有出现钢化玻璃的表面羽毛状剥裂痕迹，或者随侵彻时拖拽产生椭圆形孔洞。

在钢化玻璃的入射角度和方向分析中，样本在孔洞、泛白区和长条状放射纹区均没有提供规律性的分布特征。

4 结论

通过现场的玻璃痕迹复原和测量，可以得到平板玻璃上孔洞、光滑球裂区、泛白区、裂纹区的大小和分布情况，以及钢化玻璃上孔洞、泛白区、长条状放射纹区的大小和分布情况。通常这些痕迹类型的組合及孔洞痕迹大小可以用来判断钢珠的大小和速度。

在平板玻璃上孔洞形态出现类椭圆形，入射角度与玻璃平面夹角一定小于45度，大于45度夹角的玻璃侵彻痕迹与垂直入射很难区分。侵彻方向可以根据尖刀形羽毛状裂纹出现在出射方向的依据来判定。钢化玻璃的射击角度及方向在实验样本的痕迹类型中没有明显的特征指向，其射击状态难以判断。

【参考文献】

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