鋼化玻璃破碎裂紋特征實驗研究

梁帥

（鐵道警察學院 河南鄭州 450000）

鋼化玻璃破碎裂紋特征實驗研究

梁帥

（鐵道警察學院 河南鄭州 450000）

實驗器材：300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，透明貼膜若干，噴霧器一只，鋼化玻璃固定架一個，自制彈弓，Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠，鐵塊，尼康D5200單反相機一臺；相機固定架一臺。實驗樣本：取同一批次的300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，將透明貼膜貼在鋼化玻璃板上，鋼化玻璃實驗樣本基本完成。粘膠帶的一面作為入射面，分別用Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠以不同速度垂直拋擊、用鐵塊敲擊，鋼絲鉗敲擊，錘子方面敲擊和敲邊制作鋼化玻璃實驗樣本。通過對鋼珠拋擊、鐵塊拋擊分別進行定量化研究，為不同速度、不同拋擊物對鋼化玻璃破碎裂紋影響的研究提供出參考，為區分拋擊物體種類、判斷拋擊破壞鋼化玻璃案件性質提供依據。

鋼化玻璃；破碎裂紋；裂紋分析

普通平板玻璃破碎裂紋痕跡特征方面的研究已經趨于成熟。然而鋼化玻璃破碎痕跡與拋射物飛行速度相關性分析研究還未形成理論體系。鋼化玻璃屬于安全玻璃，是一種預應力玻璃，為提高玻璃強度、硬度，使用化學或物理的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高承載能力，增強玻璃自身抗風壓性，寒暑性，沖擊性等[1]。

在刑事偵查、保衛、治安工作中，經常遇見鋼化玻璃破裂的問題，因此我們可以通過研究鋼化玻璃裂紋的種類和裂紋形態判斷拋擊物飛行的速度，以此推斷拋擊物的客體種類。制作拋擊實驗樣本，總結拋射后形成的破碎裂紋形態的分析，為區分被拋擊客體提供實驗數據和理論支持，發現不同拋擊破碎裂紋痕跡特征，掌握快速確定拋擊物的偵查破案方法。

一、鋼化玻璃破碎原理

鋼化玻璃破碎情況是從玻璃內部開始，在玻璃張應力層最大處開始出現微裂紋，該微裂紋尖端的曲率半徑非常小，根據Griffith裂紋擴展理論，在尖端存在應力集中，一旦尖端應力達到玻璃強度極限，裂紋開始擴展，隨著裂紋擴展，裂紋尺寸增大，應力與裂紋尺寸的平方成正比，而玻璃等脆性材料沒有吸收大量能量的塑性變形，故應力惡性循環增大，材料快速斷裂。

鋼化玻璃在承受外荷載作用時會發生相應的彎曲，張力應力區向下移動，上部壓力應力區擴大，下部壓力應力區縮小(如圖1所述)。在達到極限荷載時[2]，張力應力區移動到玻璃邊部，玻璃破裂。玻璃碎裂是由拉應力引起的，并且它起始于玻璃的表面。由于其表面存在微裂紋，斷裂過程就是這些裂紋逐漸擴展的過程，由于鋼化玻璃表面受到外壓力，首先外力要克服鋼化玻璃表層的壓應力，使鋼化玻璃表面的拉應力超過壓應力抗拉強度極限而產生裂紋。但是，鋼化玻璃一旦被擊碎，裂紋端處的拉應力就會超過其抗拉強度，裂紋就會迅速地向四周擴散，爆炸性地游離，使整塊鋼化玻璃破碎成沒有尖銳角的小顆粒塊狀。因此鋼化玻璃的破裂是由分布在壓力應力區到張力應力區的損傷引起。

鋼化玻璃的斷裂首先是處于張應力的內部拓展，然后當內部張應力松弛時在表面壓應力釋放之后，斷裂才貫穿到表面。

圖1 玻璃的橫截面、以及邊部區域受力圖

二、鋼化玻璃破碎痕跡特征

鋼化玻璃在外界載荷作用下，首先在中心層產生微裂紋，微裂紋將在內應力作用下擴展。如果內拉應力足夠大，裂紋將加速傳播并開始分叉。由于應力是雙軸的，即沿X方向和Y方向分布。故裂紋可以在與玻璃表面垂直的任何平面內擴展。因此，從原始裂紋產生的兩個分支將會擴展而且再形成分支，次過程延續到整個玻璃，直到碎裂成大量的沒有尖銳角的小顆粒塊狀碎片為止。裂紋開始在中間拉應力帶中進行擴展，并不擴展到玻璃的表層，此時，需要一個外加力才能使得這些碎片分離。當鋼化玻璃受到高度集中的應力（槍擊）作用時，可以在作用點附近的區域內形成放射紋，裂紋在內應力作用下迅速擴展并且進行分叉，因此在邊界附近，碎塊呈矩形分布。在作用點處也可以形成喇叭口狀脫落[3]。

鋼化玻璃裂紋斷口形態不受載荷作用方式的影響。無論是槍擊或是拋擊，斷口形態均為柱面，在兩條末梢紋之間有切向裂紋，斷面上有時可出現弓形紋，其匯聚方向是從入口向出口，由于鋼化玻璃表層分布著永久壓應力，而中心層分布著永久拉應力，因此裂紋擴展時，中心層的擴展速度超前于表層，其弓形紋的形態呈拋物線形分布（見圖2）；且切向裂紋斷面面積很小，因此弓形紋不易觀察。

圖2 鋼化玻璃裂紋斷口上的弓形紋

三、實驗材料及方法

（一）實驗器材。

實驗裝置：300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，透明貼膜若干，噴霧器一只，鋼化玻璃固定架一個，自制彈弓，Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠，鐵塊，尼康D5200單反相機一臺；相機固定架一臺。

測量工具：卷尺，直尺、比例尺、測速儀。

（二）實驗樣本的制作。

取同一批次的300mm×300mm×5mm鋼化玻璃若干，將透明貼膜貼在鋼化玻璃板上，鋼化玻璃實驗樣本基本完成。粘膠帶的一面作為入射面，分別用Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠以不同速度垂直拋擊、用鐵塊敲擊，鋼絲鉗敲擊，錘子方面敲擊和敲邊制作鋼化玻璃實驗樣本[4]。

（三）測速方法。

將激光測速儀置于工作狀態，把Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠裝入自制彈弓包，控制橡皮筋的長度，在規定的長度區間拋擊鋼珠，每一拉伸長度拋擊三次，并分別記錄下測速儀顯示屏上的數值，最后求出每一固定長度下的速度平均值[5]。

四、實驗結果討論

不同速度區間Φ7㎜、Φ9㎜鋼珠、鐵塊拋擊300mm×300mm×5mm鋼化玻璃樣本如圖2所示：

圖3 鋼化玻璃樣本

由于拋擊鋼化玻璃破碎產生的裂紋形態不穩定，所以選擇4組統計數據中的3組相近數據進行統計分析，通過分析，總結拋擊鋼化玻璃破碎裂紋特征[6]。

孔洞：鋼珠拋擊和鐵塊拋擊均未能穿透鋼化玻璃；鋼珠拋擊形成的孔洞為圓形，而鐵塊拋擊形成的孔洞形狀不規則；孔洞直徑與拋擊速度具有正相關的關系，由35m/s時的1mm增加到85 m/s時的8mm。鐵塊拋擊形成的孔洞大小則于鐵塊本身的質量、速度和形狀有關。

層裂區：三者均有碗狀喇叭口出現，出口直徑大于入口直徑，鋼珠拋擊時入口周圍平整邊緣銳利，鐵塊拋擊時入口周圍粗糙邊緣銳利；喇叭口直徑不變，直徑范圍均在20mm左右浮動。

放射紋線條數：三者拋擊鋼化玻璃破碎產生的放射紋的數量與拋擊速度具有正相關的關系。距離孔洞中心相同半徑處裂紋條數基本相同。

切向裂紋：切向紋大多為弧狀、也有直線形，半徑隨著拋擊速度的加快而減小。半徑基本相同均在20-35mm之間。

閉合圓環區：三者都沒有形成閉合圓環區，與槍擊鋼化玻璃特征明顯不同。

裂紋和碎片：鋼珠拋擊使鋼珠獲得的速度低、動能小，作用力小，放射紋基本不發生扭曲，裂紋以孔洞處為中心傳播并開始逐漸分叉，分支將會擴展而且再形成分支，延續到整個玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，碎塊面積較小，碎塊破碎較為完全。拋擊速度越快形成的矩形玻璃碎片越多。矩形玻璃碎片數目接近，距離孔洞中心相同半徑處的碎片面積相當。

斷口及弓形紋：鋼珠拋擊鋼化玻璃斷口形態為柱面，斷口上有拋物線狀的弓形紋(圖2)；弓形紋的形態為拋物線狀，無法區分打擊方向。但是形成的放射末梢紋形態呈單刃刀狀，但是其出口側長，入口側短，與槍擊形成的放射末梢紋形態正好相反；拋擊形成的放射末梢紋形態如圖（1.k）所示，此時垂直指向紙面的方向為入射方向。同時，放射末梢紋的數量與拋擊速度也具有正相關的關系。鐵塊拋擊鋼化玻璃斷口形態也為柱面，斷口上有拋物線狀的弓形紋(圖2)；弓形紋的形態為拋物線狀，鐵塊拋擊也無法形成放射末梢紋，無法區分打擊方向。

五、結論

觀察分析不同拋擊物拋擊鋼化玻璃裂紋，總結裂紋特征：不同客體拋擊鋼化玻璃，均能觀察到明顯的著力破碎點。裂紋以著力點處為中心向四邊傳播并開始逐漸分叉，分支將會擴展而且再形成分支，延續到整塊鋼化玻璃，并碎裂成大量的矩形碎片，距離著力點處越遠破碎的矩形碎片面積越小；形成的孔洞形狀和大小與拋擊物飛行速度、質量和拋擊物形狀有關。拋擊物飛行速度越大形成的孔洞越大，拋擊物直徑越大形成的孔洞也越大，孔洞的形狀與拋擊物接觸面的幾何形態基本形同；形成的喇叭口形狀與大小與拋擊物體飛行速度并無直接的關系；拋擊鋼化玻璃破碎程度與拋擊速度具有正相關關系；距離著力點處相同半徑處裂紋條數明顯增多，切向紋半徑減小，形成的矩形玻璃碎片增多，距離著力點相同半徑處矩形玻璃碎片面積減小；拋擊斷口均為柱面，拋擊鋼化玻璃由于弓形紋的形態為拋物線狀，無法利用弓形紋區分打擊方向。其中鋼珠拋擊鋼化玻璃根據放射末梢紋判斷入射方向，

通過大量實驗，對鋼珠拋擊、鐵塊拋擊分別進行定量化研究，為不同速度、不同拋擊物對鋼化玻璃破碎裂紋影響的研究提供系統化的理論依據。為區分拋擊物體種類范圍對拋擊破壞鋼化玻璃案件性質判斷和提供線索具有指導作用或參考價值。

[1]姚國文，劉占芳.高速沖擊條件下玻璃材料的破壞分析[J].重慶大學學報，2001，(5). [2]陳建華.擊碎玻璃的檢驗[M].北京：群眾出版社，1985.

[3]戴 林.特殊痕跡檢驗[M].北京：警官教育出版社，1994．

[4]包 清，梁 帥.淺析槍擊鋼化玻璃切向、環形裂紋痕跡[J].中國司法鑒定，2016，(1):45-50.

[5]鄭其雙，郭 威.92式手槍發射9mm手槍彈擊穿5mm普通平板玻璃形成的裂紋實驗研究[J].湖北：湖北警官學院學報，2012，（12）:166-168.

[6]李德仲，李國安.槍彈痕跡檢驗技術[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

（責任編輯：吳良培）

2017-02-01

梁 帥，（1989- ），男，山東人，鐵道警察學院公安技術系教師，研究方向：刑事技術。