试探玻璃破碎机理与痕迹分析

2018-06-27张迪迪

焦作大学学报 2018年2期

张迪迪

（中国刑事警察学院痕迹检验技术系，辽宁沈阳110035）

许多犯罪现场，犯罪嫌疑人是通过对玻璃的破坏开启门窗进入现场，还有一些枪击案件现场，可能出现对建筑物门窗玻璃的破坏。玻璃破碎痕迹是指玻璃在外界因素作用下，由于断裂而形成的裂纹分布及形态痕迹。玻璃破碎痕迹检验技术是指对各类异物击碎玻璃及玻璃自然断裂的痕迹进行检验，分析玻璃破碎的原因及打击物的种类、打击方向、角度、距离等，为侦查破案和查明事故原因提供线索和证据的一种专门技术[1]。由于现实生活和实际案件中多见平板普通玻璃，未加特殊说明时，本文主要探讨的玻璃都是平板普通玻璃。目前，学术界在痕迹检验领域多以玻璃破碎痕迹特征作为研究重点，但对于玻璃破碎的原理研究较少，本文就玻璃的机械性能，破碎原理进行探讨。

1.玻璃的机械性能

玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体，化学成分比较复杂，主要成分是硅酸盐。同时玻璃也是一种脆性客体，具有较大的抗压性和抗冲击性。玻璃的硬度大，其硬度值在摩氏硬度5～7之间。同时脆性也较大，当载荷超过玻璃的强度极限时，就会立即破裂。但是，抗拉强度和抗弯强度较小。玻璃的实际强度与理论强度差异很大，理论抗折强度是 1.2×105kg/cm2，实际抗折强度为 70 kg/cm2，主要原因是玻璃具有脆性和微裂纹以及存在不均匀区等。以普通平板玻璃的强度值为例，抗张强度在350～850 kg/cm2之间，抗压强度在 2×104～5×104kg/cm2之间，其抗压强度约为抗张强度的15～20倍。因此，当玻璃在张应力和压应力的共同作用下，受张应力作用的部位非常容易形成裂纹而断裂。简言之，玻璃具有硬度大、脆性大、抗压强度大和抗张强度小等性质。此外，玻璃还具有热稳定性和热应力等性质[2]。

2.玻璃破碎原理

由于玻璃具有脆性高、弹性差的性质，且有一定的抗拉抗压性，这就决定了玻璃只能形成孔洞、裂纹、破碎等痕迹，这与我们传统研究的诸如手印、足迹、工具痕迹等有所不同，这些痕迹不能反映造痕体的外表形态结构，只能大致反映造痕体的种类、作用力大小、方向等情况。目前案件现场出现的玻璃破碎问题，原理大致有三种。

第一种是受冲击波载荷作用的玻璃破碎。冲击波是指使介质状态突跃改变的波动，在痕迹检验领域冲击波的形成主要以超音速飞行的弹头前端形成冲击波和爆炸产生的高速气流为典型代表。文中主要探讨枪击冲击波作用的玻璃破碎。枪击玻璃冲击波作用按照形成痕迹的形态有四种，分别是喇叭口层裂区、放射末梢纹区、弯曲放射纹区、孔洞。喇叭口层裂区自由面上的层裂区直径最大，此后层裂区直径逐渐减小，原理如图1所示。发射末梢纹区的形成是由于入射纵波切向张应力的作用，具体原理如图2所示。末梢纹前沿形态与波阵面形态一致，入口面长、出口面短。弯曲放射纹是由入射（纵）波张应力与入射（横）波剪应力的合力作用。弹孔形态表现在弹孔周围边缘有白色玻璃粉末圈，末梢纹之间形成少量的切向裂纹。

第二种是由于机械冲击载荷作用引起的破碎。机械载荷作用方式有很多种，文中只探讨抛击作用导致的玻璃破碎。根据产生裂纹的形态和分布规律，可将其分为三个区域：斜面状断口、放射纹区、切向裂纹区。斜面状断口的形成是由于作用点附近的张应力作用。放射纹的形成是由于自由面张应力作用使得自由面产生切向拉应力区，原理如图4所示。切向纹的形成是由于入射面张应力作用，入射面产生圆环形径向拉应力区，原理如图5所示。同时，还会产生弓形纹，弓形纹是分布于裂纹（通常为放射纹或者切向纹）断口上的，并且向某一表面汇聚成束的纹线。弓形纹汇聚的表面为压应力面，凹弧对应的表面为张应力面。

第三种是由于热冲击载荷作用。是指玻璃受剧烈的温度变化，其内部的应力产生变化导致的破碎。钢化玻璃不同于普通玻璃，有特殊较大的应力分布，一旦破裂，应力释放的结果很少形成，此外，还会出现钢化玻璃自爆的现象，主要原因是由于硫化镍相变引起自爆和杂质颗粒引起自爆两种原因[3]。

图1 喇叭口层裂区形态图

图2 末梢纹形成过程

图3 斜面状断口形成过程

图4 放射纹形成过程

图5 切向纹形成过程

图6 弓形纹的形成过程

3.玻璃破碎痕迹特征

3.1 枪击裂纹特征

由于弹头速度比较高，如果子弹射到玻璃上就会形成明显的枪击弹孔特征。枪击案件玻璃弹孔呈圆形或椭圆形，断面粗糙，边缘有白色粉末圈。层裂区呈喇叭状，入口小、出口大，断面呈阶梯状。末稍纹均匀分布于弹孔周围，密度大、长度小，形态细直（断口呈柱面）。放射纹呈放射状或网状分布，分叉多、转折多，形态弯曲，裂纹较粗。玻璃弹孔是由入口向出口逐渐扩大的喇叭形孔洞，孔径大于弹径，入口周围平整、边缘锐利，出口一面玻璃屑层层剥落，呈坡面。应当注意的是，在较近距离发射时，还会留下褐黑色的烟垢、火药粒等射击残渣。枪击裂纹特征如图7所示。周毅锦等人［4］用不同的发射器，包括弹弓、弓弩、气枪、钢珠枪以及枪支等常见的射击器进行研究,通过对玻璃上孔洞形态的分类,定量的分析各类形态的大小,以此来确定发射器的种类。结果表明，制式枪支射击的痕迹呈规则的圆形，有密集的第一放射纹区，第二放层裂区直径在45mm以上。包清等人通过使用不同型号枪支在相同实验条件下，对钢化玻璃进行射击实验，观察射击裂纹位置与形态，结果表明，枪击钢化玻璃会出现一个完整圆形区，并发现闭合圆形区裂纹出现的位置与子弹的速度与枪支型号等因素无关，取决于弹着点的位置[5]。

图7 枪击裂纹特征图

3.2 高速抛击裂纹特征

速度30m/s＜V＜70m/s的抛击称之为高速抛击，常见的抛击工具有弹弓、弩、气枪等等，抛击物通常有石子、钢珠等。高速抛击形成的孔洞近似于圆形或者不规则形态，孔径大于物体的直径，入口小、出口大，入口侧边缘锋利、出口侧有少量层裂。末梢纹分布于弹孔周围、呈放射状，末梢纹少，长度变化大、较直。放射纹可从作用点扩展至边界，断口的形态在作用点附近近似于柱面，在边界附近扭曲较大，小的物体一般不会出现切向裂纹，大的物体抛击时有可能出现切向裂纹。弹弓抛射石块玻璃裂纹如下图8所示。李如响等人[6]探究了钢珠抛击玻璃裂纹和枪击玻璃裂纹的差异，得出了不同粒径的钢珠在不同距离打击玻璃得到的痕迹基本相同，但是与枪弹射击形成痕迹有很大差别，这样的差别主要源于枪弹和钢珠在空中运动轨迹方式的差异以及它们自身形态的不同，速度的差异会导致比动能的不同，这会直接影响玻璃裂纹的形态。

图8 弹弓抛射石块玻璃裂纹图

3.3 低速抛击裂纹特征

当抛击速度小于30m/s时，称之为低速抛击。通常，裂纹的形态和物体尺寸相关，洞孔不规则，直径可达数十厘米，放射纹数量少、不分叉、无转折。末梢纹数量少，末稍纹前沿形态与高抛相同，裂纹断口呈柱面。切向纹直径变化大，圆形、不规则形，裂纹断口呈柱面。断面弓形纹特征也较明显，弓形纹汇聚方向与高抛相同。石块抛击玻璃裂纹如图9所示。

图9 石块抛击玻璃裂纹图

4.玻璃破碎裂纹分析

玻璃破碎裂纹分析，主要是根据裂纹的整体形态、裂纹的分布、局部形态及断口的弓形纹，判断冲击方向、分析作用方式和打击速度等。判断玻璃破碎裂纹的打击角度一直以来是这个领域的难题[7]，同时也有学者提出利用裂纹来判断角度，并且可以达到一定精度[8]。

4.1 判断冲击方向

判断冲击方向是指根据玻璃破碎后形成的孔洞特征和裂纹特征分析物体的冲击方向。准确判断冲击方向，可以确定案犯进入现场的方位、判定现场是否伪造等情况。

（1）根据现场玻璃碎块分布位置判断。玻璃受冲击破碎后，多数碎块会沿冲击方向溅落，并分布在一定区域内，判断时应注意现场有无扫帚清扫形成的可疑痕迹。通常，玻璃受击碎裂后，多数碎块沿冲击方向溅落，并分布在一定区域内，冲击物与碎块一般情况下都分布在同一侧[9]。

（2）根据作用点断口判断。裂纹断口能客观地反映出玻璃的受力方向，它与碎块及冲击物的位置变化无关。该方法为有孔洞类优先选取的、最准确的判断方法。不管是枪击还是抛击作用方式，不管是平板玻璃还是钢化玻璃，不管玻璃是否被击穿，形成的喇叭断口均为入口小、出口大。

（3）根据断口上弓形纹的汇聚方向判断。玻璃受抛击作用，可能出现放射裂纹、末梢纹和切向裂纹。其中，放射裂纹和末梢纹端口上弓形纹的汇聚方向相同，均是由玻璃的自由面向入射面汇聚，并且汇聚于作用点，而切向裂纹端口上弓形纹是由玻璃的入射面向自由面汇聚。

4.2 判断作用方式

判断作用方式应根据玻璃的种类、厚度、所处的位置、与周围建筑物的距离，孔洞的形态、尺寸、规则程度，玻璃破碎裂纹的形态、分布，现场找到疑似抛射物等方面综合进行分析，必要时可进行玻璃模拟打击实验。枪击作用案件现场，弹头在飞行过程中，其姿态保持稳定，击碎玻璃后能出现典型的裂纹特征。但是，当飞行姿态变化时，即弹头丧失稳定性而翻滚的情况下撞击玻璃，此时可能是弹头的侧面接触玻璃，破碎裂纹与抛击情况相似。此时，寻找弹头就显得至关重要。