不同客體打擊鋼化玻璃所形成破碎裂紋相關性研究

丁浩林

(中國刑事警察學院， 遼寧 沈陽110000)

鋼化玻璃同一般玻璃相比較，其抗彎強度、抗沖擊強度以及熱穩定性等都有很大提高，因為玻璃的鋼化是將平板玻璃或其他玻璃制品經過物理或者化學方法進行處理，使玻璃表層產生了均勻分布的永久應力，從而使玻璃獲得了高強度和高熱穩定性，這些特性使得鋼化玻璃作為材料，屏障在建筑、汽車等領域得到了廣泛的應用。因此，鋼化玻璃也成為不法分子實施破壞和犯罪首當其沖的目標。隨著技術的發展，破壞鋼化玻璃的手段也隨之改進，實踐中遇到破壞鋼化玻璃的客體有：石塊、破窗錘、鋼珠、破窗器等。本文通過分析這幾種客體打擊鋼化玻璃的作用過程，結合鋼化玻璃自身破碎機理，觀察破碎痕跡的形態特點，分析總結能夠反映不同工具作用特點的痕跡特征，從而為相關現場的勘察和重建提供依據,近一步豐富玻璃破碎痕跡的樣本庫。

1 鋼化玻璃破碎機理與基本裂紋形態

1.1 鋼化玻璃特性

分析鋼化玻璃破碎機理，必須了解其加工過程和應力分布情況。

玻璃的鋼化有兩種方法：物理鋼化和化學鋼化，本文實驗所用均為物理鋼化玻璃，因為物理鋼化多用于加工3mm以上的玻璃，這種玻璃廣泛應用高層建筑門窗、玻璃幕墻、車側擋玻璃等。本實驗所選玻璃樣本為5mm物理鋼化平板玻璃。

物理鋼化是將玻璃加熱至一定的溫度，然后將玻璃迅速冷卻，使玻璃內產生很大的永久應力，此過程也成為玻璃淬火。通過這樣的熱處理，玻璃內部能夠具有均勻分布的內應力，在玻璃厚度方向上呈拋物線型，表層為壓應力，內層為拉應力。

當鋼化玻璃受外力作用時，表層的壓應力能夠將外界部分拉應力抵消，所以鋼化玻璃抗拉強度要遠高于普通玻璃。

1.2 破碎機理

鋼化玻璃作為脆性材料，其抗壓強度是抗拉強度的十幾倍。鋼化玻璃負載時，由于力的合成作用，其表層的壓應力增大同時拉應力向板中心移動，玻璃表面微裂紋受到拉應力作用克服斷裂韌性和玻璃表層預加的壓應力開始擴展，當裂紋到達拉應力層，玻璃發生斷裂，此時玻璃殘余應力瞬間釋放，玻璃迅速裂成無數碎塊。圖1為鋼化玻璃應力分布示意圖。

圖1 鋼化玻璃應力分布示意圖

1.3 鋼化玻璃破碎裂紋形態

鋼化玻璃破碎裂紋復雜，鋼化玻璃受外界載荷作用破碎形成的裂紋大致可以分為3種，第一種為放射紋如圖2中標識1所示，同普通玻璃破碎形成的放射紋一致，都是從喇叭口處向四周擴散，喇叭口中心部位放射紋斷面平滑同玻璃面垂直，偶爾出現彎曲但無扭曲現象。一般情況下只有在外界載荷作用較大時才會形成大量平直、無分叉的放射紋。第二種為較短的弧形裂紋如圖3中標識2所示，位于兩條放射紋之間，同兩邊的放射紋成一定的角度，斷面與玻璃表面存在角度，集中出現玻璃邊緣部位，當載荷作用較大時在距喇叭口60mm會成群出現，形成閉合圓環。第三種裂紋形態平直如圖3中標識3所示，是在外界應力作用減弱之后鋼化玻璃自身殘余應力釋放起主導作用而產生長度較短的平直裂紋。

圖2 放射紋

圖3 弧形與形態平直裂紋

2 實驗材料和實驗方法

本次實驗目的在于模擬不同工具打擊鋼化玻璃，觀察其玻璃破碎痕跡形態，淺析破碎原理，分析總結裂紋同打擊客體的相關性。

2.1 設備材料

石塊、破窗器、破窗錘、鋼釘、8mm鋼珠。同工藝、同批次30cm×30cm 厚度5mm鋼化玻璃、PVC料薄模等。

2.2 方法

按打擊客體的不同可將打擊工具分為三組。

第一組：手握石塊、破窗錘用揮動的方式對玻璃進行打擊。

第二組：手持破窗器緊貼玻璃表面按壓打擊；鋼釘頭緊貼玻璃表面用工具錘敲擊鋼釘尾部打擊玻璃。

第三組：利用氣槍發射8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃。

在實驗之前，首先用PVC塑料膜貼在鋼化玻璃兩面，固定玻璃破碎不散落，便于觀察裂紋形態。PVC塑料膜較薄，實驗所用工具瞬時打擊動能較大，因此塑料膜對實驗影響可忽略不計。

2.3 實驗結果

石塊：鋼化玻璃破碎嚴重，整體碎塊小、密度大，打擊點形成較大不規則孔洞。放射紋在喇叭口60mm以內較為完整無分叉，之后分叉較多出現成群弧形裂紋。見圖4、圖5。

破窗錘：玻璃破碎較為嚴重，整體碎塊較小，打擊點形成較小不規則孔洞，放射紋在傳播20mm后開始分叉。個別樣本的放射紋在距喇叭口40mm以內較為完整，分叉較少。見圖6、圖7。

破窗器：鋼化玻璃破碎較為嚴重、整體碎塊較小，密度較大打擊點處出現兩個多邊形碎塊，形似蝴蝶翅膀，位于多邊形公共邊中心留下的打擊點印痕，裂紋在距打擊點不到10mm處就開始分叉，且分叉較多，見圖8、圖9。

圖4 石塊打擊概貌

圖5 石塊打擊細目

圖6 破窗錘打擊概貌

圖7 破窗錘打擊細目

圖8 破窗器打擊概貌

圖9 破窗器打擊 細目

鋼釘：鋼化玻璃破碎較為嚴重，整體碎塊較小、密度較大，打擊點形成裂紋同破窗器打擊形成的裂紋一致，裂紋中心留有打擊印痕，裂紋在傳播不到10mm處開始分叉，見圖10、圖11。

圖10 鋼釘打擊概貌

圖11 鋼釘打擊細目

破窗器與鋼釘打擊點及斷面看有明顯碎片脫落和打擊印痕如圖12、圖13(區分鋼化玻璃自爆主要特征)

圖12 打擊點

圖13 斷面

8mm鋼珠：利用氣槍填裝發射8mm鋼珠，低速(40m/s以下)沖擊鋼化玻璃，玻璃破碎嚴重，整體碎塊小、密度較大，因速度較低鋼珠未擊穿，打擊點處出現直徑約2mm圓形孔洞，形成較為規則的喇叭口。放射紋從打點處向四周擴散，最長傳播至50mm后開始分叉，見圖14、圖15。

圖14 8mm鋼珠打擊概貌

圖15 8mm鋼珠打擊細目

3 分析與討論

鋼化玻璃受到不同客體打擊時，裂紋的區別主要在以下三個方面：打擊點裂紋形態、放射紋長短及分叉情況。

3.1 原因分析

根據現象總結，打擊點裂紋形態以及放射紋分叉情況同打擊客體是否尖銳以及打擊速度有關。

尖銳客體鋼釘和破窗器打擊玻璃時，鋼化玻璃在作用點軸向受到較大沖擊作用，沿軸線方向出現應力集中區(如圖16)。應力集中點在外界拉應力作用下產生裂紋并發生擴展，當裂紋擴展至拉應力層時，外界拉應力加上玻璃自身拉應力超過玻璃的斷裂韌性，導致玻璃破裂，微裂紋形成宏觀裂紋。由于客體作用瞬時速度較小，卸載較快，一旦有裂紋形成，外界載荷作用基本消失，鋼化玻璃就依靠自身的殘余應力釋放，迅速破碎成無數小碎塊。

圖16 尖銳客體打擊玻璃時的應力集中區

8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃時，同普通玻璃一樣，在作用點沿玻璃厚度方向會形成一個圓臺狀拉應力面(如圖17)，拉應力值超過玻璃強度極限時，會形成斜面狀斷口也就是我們俗稱的“喇叭口”，只不過普通玻璃會形成一個光滑均勻的喇叭口，而鋼化玻璃的喇叭口破碎嚴重；放射紋是在外界拉應力同自身拉應力共同作用下，外界拉應力起主導，以斜面斷口產生的裂紋為源頭，沿最大拉應力方向傳播，傳播一段距離之后，外界應力減小，放射紋開始在玻璃自身應力作用下在應力相對集中處分叉。

圖17 8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃時形成的應力面

同樣道理，破窗錘打擊鋼化玻璃時，玻璃的應變狀態同鋼珠打擊相似，但由于速度較低，喇叭口并未形成，只在打擊點形成孔洞；放射紋形成原理相同，破窗錘由于速度相對于鋼珠沖擊玻璃較低，所以裂紋在傳播時就開始分叉，但能夠看見放射紋主體傳播方向不變；而大石塊由于質量較大，打擊時具有較高的能量，而且侵徹作用較強，因此放射紋傳播較遠后才開始分叉。

4 結論

尖銳客體在速度較低的情況下打擊鋼化玻璃破碎形成的裂紋同鋼化玻璃自爆類似：應力集中于一點超過玻璃自身的斷裂韌性，導致玻璃破裂，且破裂源處會形成蝴蝶斑。但是不同于鋼化玻璃自爆現象，尖銳客體打擊時會在作用點處留下打擊印痕。鋼化玻璃自爆時，在玻璃表面無打擊印痕，在蝴蝶斑正交中心會有硫化鎳單質，即玻璃自爆是由自身應力不均勻導致，而并非外力作用。

鋼珠低速打擊鋼化玻璃破碎形成的裂紋同尖銳客體和破窗錘打擊鋼化玻璃有著明顯的卻別。鋼珠低速打擊鋼化玻璃時在打擊點沿玻璃厚度方向形成圓臺形拉應力區，在拉應力區的作用下玻璃破碎會形成斜面狀斷口，同時，在外界拉應力主導下，放射紋在較大范圍內清晰，完整，待到外界拉應力作用減弱后，放射紋在鋼化玻璃自身殘余拉應力作用下開始分叉。

相比鋼珠，大石塊體積較大，打擊玻璃破碎瞬時動能較大，鋼化玻璃破碎時形成較大的孔洞，放射紋密度大而且在一定范圍內清晰完整；破窗錘能量較小，鋼化玻璃破碎時在打擊點形成較小的孔洞，而且放射紋基本在傳播較短距離后就開始有分叉現象。

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