不同客体打击钢化玻璃所形成破碎裂纹相关性研究

丁浩林

(中国刑事警察学院， 辽宁 沈阳110000)

钢化玻璃同一般玻璃相比较，其抗弯强度、抗冲击强度以及热稳定性等都有很大提高，因为玻璃的钢化是将平板玻璃或其他玻璃制品经过物理或者化学方法进行处理，使玻璃表层产生了均匀分布的永久应力，从而使玻璃获得了高强度和高热稳定性，这些特性使得钢化玻璃作为材料，屏障在建筑、汽车等领域得到了广泛的应用。因此，钢化玻璃也成为不法分子实施破坏和犯罪首当其冲的目标。随着技术的发展，破坏钢化玻璃的手段也随之改进，实践中遇到破坏钢化玻璃的客体有：石块、破窗锤、钢珠、破窗器等。本文通过分析这几种客体打击钢化玻璃的作用过程，结合钢化玻璃自身破碎机理，观察破碎痕迹的形态特点，分析总结能够反映不同工具作用特点的痕迹特征，从而为相关现场的勘察和重建提供依据,近一步丰富玻璃破碎痕迹的样本库。

1 钢化玻璃破碎机理与基本裂纹形态

1.1 钢化玻璃特性

分析钢化玻璃破碎机理，必须了解其加工过程和应力分布情况。

玻璃的钢化有两种方法：物理钢化和化学钢化，本文实验所用均为物理钢化玻璃，因为物理钢化多用于加工3mm以上的玻璃，这种玻璃广泛应用高层建筑门窗、玻璃幕墙、车侧挡玻璃等。本实验所选玻璃样本为5mm物理钢化平板玻璃。

物理钢化是将玻璃加热至一定的温度，然后将玻璃迅速冷却，使玻璃内产生很大的永久应力，此过程也成为玻璃淬火。通过这样的热处理，玻璃内部能够具有均匀分布的内应力，在玻璃厚度方向上呈抛物线型，表层为压应力，内层为拉应力。

当钢化玻璃受外力作用时，表层的压应力能够将外界部分拉应力抵消，所以钢化玻璃抗拉强度要远高于普通玻璃。

1.2 破碎机理

钢化玻璃作为脆性材料，其抗压强度是抗拉强度的十几倍。钢化玻璃负载时，由于力的合成作用，其表层的压应力增大同时拉应力向板中心移动，玻璃表面微裂纹受到拉应力作用克服断裂韧性和玻璃表层预加的压应力开始扩展，当裂纹到达拉应力层，玻璃发生断裂，此时玻璃残余应力瞬间释放，玻璃迅速裂成无数碎块。图1为钢化玻璃应力分布示意图。

图1 钢化玻璃应力分布示意图

1.3 钢化玻璃破碎裂纹形态

钢化玻璃破碎裂纹复杂，钢化玻璃受外界载荷作用破碎形成的裂纹大致可以分为3种，第一种为放射纹如图2中标识1所示，同普通玻璃破碎形成的放射纹一致，都是从喇叭口处向四周扩散，喇叭口中心部位放射纹断面平滑同玻璃面垂直，偶尔出现弯曲但无扭曲现象。一般情况下只有在外界载荷作用较大时才会形成大量平直、无分叉的放射纹。第二种为较短的弧形裂纹如图3中标识2所示，位于两条放射纹之间，同两边的放射纹成一定的角度，断面与玻璃表面存在角度，集中出现玻璃边缘部位，当载荷作用较大时在距喇叭口60mm会成群出现，形成闭合圆环。第三种裂纹形态平直如图3中标识3所示，是在外界应力作用减弱之后钢化玻璃自身残余应力释放起主导作用而产生长度较短的平直裂纹。

图2 放射纹

图3 弧形与形态平直裂纹

2 实验材料和实验方法

本次实验目的在于模拟不同工具打击钢化玻璃，观察其玻璃破碎痕迹形态，浅析破碎原理，分析总结裂纹同打击客体的相关性。

2.1 设备材料

石块、破窗器、破窗锤、钢钉、8mm钢珠。同工艺、同批次30cm×30cm 厚度5mm钢化玻璃、PVC料薄模等。

2.2 方法

按打击客体的不同可将打击工具分为三组。

第一组：手握石块、破窗锤用挥动的方式对玻璃进行打击。

第二组：手持破窗器紧贴玻璃表面按压打击；钢钉头紧贴玻璃表面用工具锤敲击钢钉尾部打击玻璃。

第三组：利用气枪发射8mm钢珠低速冲击钢化玻璃。

在实验之前，首先用PVC塑料膜贴在钢化玻璃两面，固定玻璃破碎不散落，便于观察裂纹形态。PVC塑料膜较薄，实验所用工具瞬时打击动能较大，因此塑料膜对实验影响可忽略不计。

2.3 实验结果

石块：钢化玻璃破碎严重，整体碎块小、密度大，打击点形成较大不规则孔洞。放射纹在喇叭口60mm以内较为完整无分叉，之后分叉较多出现成群弧形裂纹。见图4、图5。

破窗锤：玻璃破碎较为严重，整体碎块较小，打击点形成较小不规则孔洞，放射纹在传播20mm后开始分叉。个别样本的放射纹在距喇叭口40mm以内较为完整，分叉较少。见图6、图7。

破窗器：钢化玻璃破碎较为严重、整体碎块较小，密度较大打击点处出现两个多边形碎块，形似蝴蝶翅膀，位于多边形公共边中心留下的打击点印痕，裂纹在距打击点不到10mm处就开始分叉，且分叉较多，见图8、图9。

图4 石块打击概貌

图5 石块打击细目

图6 破窗锤打击概貌

图7 破窗锤打击细目

图8 破窗器打击概貌

图9 破窗器打击 细目

钢钉：钢化玻璃破碎较为严重，整体碎块较小、密度较大，打击点形成裂纹同破窗器打击形成的裂纹一致，裂纹中心留有打击印痕，裂纹在传播不到10mm处开始分叉，见图10、图11。

图10 钢钉打击概貌

图11 钢钉打击细目

破窗器与钢钉打击点及断面看有明显碎片脱落和打击印痕如图12、图13(区分钢化玻璃自爆主要特征)

图12 打击点

图13 断面

8mm钢珠：利用气枪填装发射8mm钢珠，低速(40m/s以下)冲击钢化玻璃，玻璃破碎严重，整体碎块小、密度较大，因速度较低钢珠未击穿，打击点处出现直径约2mm圆形孔洞，形成较为规则的喇叭口。放射纹从打点处向四周扩散，最长传播至50mm后开始分叉，见图14、图15。

图14 8mm钢珠打击概貌

图15 8mm钢珠打击细目

3 分析与讨论

钢化玻璃受到不同客体打击时，裂纹的区别主要在以下三个方面：打击点裂纹形态、放射纹长短及分叉情况。

3.1 原因分析

根据现象总结，打击点裂纹形态以及放射纹分叉情况同打击客体是否尖锐以及打击速度有关。

尖锐客体钢钉和破窗器打击玻璃时，钢化玻璃在作用点轴向受到较大冲击作用，沿轴线方向出现应力集中区(如图16)。应力集中点在外界拉应力作用下产生裂纹并发生扩展，当裂纹扩展至拉应力层时，外界拉应力加上玻璃自身拉应力超过玻璃的断裂韧性，导致玻璃破裂，微裂纹形成宏观裂纹。由于客体作用瞬时速度较小，卸载较快，一旦有裂纹形成，外界载荷作用基本消失，钢化玻璃就依靠自身的残余应力释放，迅速破碎成无数小碎块。

图16 尖锐客体打击玻璃时的应力集中区

8mm钢珠低速冲击钢化玻璃时，同普通玻璃一样，在作用点沿玻璃厚度方向会形成一个圆台状拉应力面(如图17)，拉应力值超过玻璃强度极限时，会形成斜面状断口也就是我们俗称的“喇叭口”，只不过普通玻璃会形成一个光滑均匀的喇叭口，而钢化玻璃的喇叭口破碎严重；放射纹是在外界拉应力同自身拉应力共同作用下，外界拉应力起主导，以斜面断口产生的裂纹为源头，沿最大拉应力方向传播，传播一段距离之后，外界应力减小，放射纹开始在玻璃自身应力作用下在应力相对集中处分叉。

图17 8mm钢珠低速冲击钢化玻璃时形成的应力面

同样道理，破窗锤打击钢化玻璃时，玻璃的应变状态同钢珠打击相似，但由于速度较低，喇叭口并未形成，只在打击点形成孔洞；放射纹形成原理相同，破窗锤由于速度相对于钢珠冲击玻璃较低，所以裂纹在传播时就开始分叉，但能够看见放射纹主体传播方向不变；而大石块由于质量较大，打击时具有较高的能量，而且侵彻作用较强，因此放射纹传播较远后才开始分叉。

4 结论

尖锐客体在速度较低的情况下打击钢化玻璃破碎形成的裂纹同钢化玻璃自爆类似：应力集中于一点超过玻璃自身的断裂韧性，导致玻璃破裂，且破裂源处会形成蝴蝶斑。但是不同于钢化玻璃自爆现象，尖锐客体打击时会在作用点处留下打击印痕。钢化玻璃自爆时，在玻璃表面无打击印痕，在蝴蝶斑正交中心会有硫化镍单质，即玻璃自爆是由自身应力不均匀导致，而并非外力作用。

钢珠低速打击钢化玻璃破碎形成的裂纹同尖锐客体和破窗锤打击钢化玻璃有着明显的却别。钢珠低速打击钢化玻璃时在打击点沿玻璃厚度方向形成圆台形拉应力区，在拉应力区的作用下玻璃破碎会形成斜面状断口，同时，在外界拉应力主导下，放射纹在较大范围内清晰，完整，待到外界拉应力作用减弱后，放射纹在钢化玻璃自身残余拉应力作用下开始分叉。

相比钢珠，大石块体积较大，打击玻璃破碎瞬时动能较大，钢化玻璃破碎时形成较大的孔洞，放射纹密度大而且在一定范围内清晰完整；破窗锤能量较小，钢化玻璃破碎时在打击点形成较小的孔洞，而且放射纹基本在传播较短距离后就开始有分叉现象。

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