丁浩林

(中國刑事警察學(xué)院， 遼寧 沈陽110000)

鋼化玻璃同一般玻璃相比較，其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性等都有很大提高，因?yàn)椴ＡУ匿摶菍⑵桨宀ＡЩ蚱渌Ａе破方?jīng)過物理或者化學(xué)方法進(jìn)行處理，使玻璃表層產(chǎn)生了均勻分布的永久應(yīng)力，從而使玻璃獲得了高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，鋼化玻璃也成為不法分子實(shí)施破壞和犯罪首當(dāng)其沖的目標(biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展，破壞鋼化玻璃的手段也隨之改進(jìn)，實(shí)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(jié)合鋼化玻璃自身破碎機(jī)理，觀察破碎痕跡的形態(tài)特點(diǎn)，分析總結(jié)能夠反映不同工具作用特點(diǎn)的痕跡特征，從而為相關(guān)現(xiàn)場的勘察和重建提供依據(jù),近一步豐富玻璃破碎痕跡的樣本庫。

1 鋼化玻璃破碎機(jī)理與基本裂紋形態(tài)

1.1 鋼化玻璃特性

分析鋼化玻璃破碎機(jī)理，必須了解其加工過程和應(yīng)力分布情況。

玻璃的鋼化有兩種方法：物理鋼化和化學(xué)鋼化，本文實(shí)驗(yàn)所用均為物理鋼化玻璃，因?yàn)槲锢礓摶嘤糜诩庸?mm以上的玻璃，這種玻璃廣泛應(yīng)用高層建筑門窗、玻璃幕墻、車側(cè)擋玻璃等。本實(shí)驗(yàn)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(nèi)產(chǎn)生很大的永久應(yīng)力，此過程也成為玻璃淬火。通過這樣的熱處理，玻璃內(nèi)部能夠具有均勻分布的內(nèi)應(yīng)力，在玻璃厚度方向上呈拋物線型，表層為壓應(yīng)力，內(nèi)層為拉應(yīng)力。

當(dāng)鋼化玻璃受外力作用時(shí)，表層的壓應(yīng)力能夠?qū)⑼饨绮糠掷瓚?yīng)力抵消，所以鋼化玻璃抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于普通玻璃。

1.2 破碎機(jī)理

鋼化玻璃作為脆性材料，其抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的十幾倍。鋼化玻璃負(fù)載時(shí)，由于力的合成作用，其表層的壓應(yīng)力增大同時(shí)拉應(yīng)力向板中心移動，玻璃表面微裂紋受到拉應(yīng)力作用克服斷裂韌性和玻璃表層預(yù)加的壓應(yīng)力開始擴(kuò)展，當(dāng)裂紋到達(dá)拉應(yīng)力層，玻璃發(fā)生斷裂，此時(shí)玻璃殘余應(yīng)力瞬間釋放，玻璃迅速裂成無數(shù)碎塊。圖1為鋼化玻璃應(yīng)力分布示意圖。

圖1 鋼化玻璃應(yīng)力分布示意圖

1.3 鋼化玻璃破碎裂紋形態(tài)

鋼化玻璃破碎裂紋復(fù)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(biāo)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(kuò)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(xiàn)彎曲但無扭曲現(xiàn)象。一般情況下只有在外界載荷作用較大時(shí)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(biāo)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(xiàn)玻璃邊緣部位，當(dāng)載荷作用較大時(shí)在距喇叭口60mm會成群出現(xiàn)，形成閉合圓環(huán)。第三種裂紋形態(tài)平直如圖3中標(biāo)識3所示，是在外界應(yīng)力作用減弱之后鋼化玻璃自身殘余應(yīng)力釋放起主導(dǎo)作用而產(chǎn)生長度較短的平直裂紋。

圖2 放射紋

圖3 弧形與形態(tài)平直裂紋

2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谀M不同工具打擊鋼化玻璃，觀察其玻璃破碎痕跡形態(tài)，淺析破碎原理，分析總結(jié)裂紋同打擊客體的相關(guān)性。

2.1 設(shè)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(jìn)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(fā)射8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃。

在實(shí)驗(yàn)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(tài)。PVC塑料膜較薄，實(shí)驗(yàn)所用工具瞬時(shí)打擊動能較大，因此塑料膜對實(shí)驗(yàn)影響可忽略不計(jì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

破窗錘：玻璃破碎較為嚴(yán)重，整體碎塊較小，打擊點(diǎn)形成較小不規(guī)則孔洞，放射紋在傳播20mm后開始分叉。個(gè)別樣本的放射紋在距喇叭口40mm以內(nèi)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(yán)重、整體碎塊較小，密度較大打擊點(diǎn)處出現(xiàn)兩個(gè)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(diǎn)印痕，裂紋在距打擊點(diǎn)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(xì)目

圖6 破窗錘打擊概貌

圖7 破窗錘打擊細(xì)目

圖8 破窗器打擊概貌

圖9 破窗器打擊 細(xì)目

鋼釘：鋼化玻璃破碎較為嚴(yán)重，整體碎塊較小、密度較大，打擊點(diǎn)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(xì)目

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

圖12 打擊點(diǎn)

圖13 斷面

8mm鋼珠：利用氣槍填裝發(fā)射8mm鋼珠，低速(40m/s以下)沖擊鋼化玻璃，玻璃破碎嚴(yán)重，整體碎塊小、密度較大，因速度較低鋼珠未擊穿，打擊點(diǎn)處出現(xiàn)直徑約2mm圓形孔洞，形成較為規(guī)則的喇叭口。放射紋從打點(diǎn)處向四周擴(kuò)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(xì)目

3 分析與討論

鋼化玻璃受到不同客體打擊時(shí)，裂紋的區(qū)別主要在以下三個(gè)方面：打擊點(diǎn)裂紋形態(tài)、放射紋長短及分叉情況。

3.1 原因分析

根據(jù)現(xiàn)象總結(jié)，打擊點(diǎn)裂紋形態(tài)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(guān)。

尖銳客體鋼釘和破窗器打擊玻璃時(shí)，鋼化玻璃在作用點(diǎn)軸向受到較大沖擊作用，沿軸線方向出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)(如圖16)。應(yīng)力集中點(diǎn)在外界拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋并發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至拉應(yīng)力層時(shí)，外界拉應(yīng)力加上玻璃自身拉應(yīng)力超過玻璃的斷裂韌性，導(dǎo)致玻璃破裂，微裂紋形成宏觀裂紋。由于客體作用瞬時(shí)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(yīng)力釋放，迅速破碎成無數(shù)小碎塊。

圖16 尖銳客體打擊玻璃時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)

8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃時(shí)，同普通玻璃一樣，在作用點(diǎn)沿玻璃厚度方向會形成一個(gè)圓臺狀拉應(yīng)力面(如圖17)，拉應(yīng)力值超過玻璃強(qiáng)度極限時(shí)，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(gè)光滑均勻的喇叭口，而鋼化玻璃的喇叭口破碎嚴(yán)重；放射紋是在外界拉應(yīng)力同自身拉應(yīng)力共同作用下，外界拉應(yīng)力起主導(dǎo)，以斜面斷口產(chǎn)生的裂紋為源頭，沿最大拉應(yīng)力方向傳播，傳播一段距離之后，外界應(yīng)力減小，放射紋開始在玻璃自身應(yīng)力作用下在應(yīng)力相對集中處分叉。

圖17 8mm鋼珠低速沖擊鋼化玻璃時(shí)形成的應(yīng)力面

同樣道理，破窗錘打擊鋼化玻璃時(shí)，玻璃的應(yīng)變狀態(tài)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(diǎn)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(shí)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(zhì)量較大，打擊時(shí)具有較高的能量，而且侵徹作用較強(qiáng)，因此放射紋傳播較遠(yuǎn)后才開始分叉。

4 結(jié)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(yīng)力集中于一點(diǎn)超過玻璃自身的斷裂韌性，導(dǎo)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(xiàn)象，尖銳客體打擊時(shí)會在作用點(diǎn)處留下打擊印痕。鋼化玻璃自爆時(shí)，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(zhì)，即玻璃自爆是由自身應(yīng)力不均勻?qū)е?，而并非外力作用?/p>

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(shí)在打擊點(diǎn)沿玻璃厚度方向形成圓臺形拉應(yīng)力區(qū)，在拉應(yīng)力區(qū)的作用下玻璃破碎會形成斜面狀斷口，同時(shí)，在外界拉應(yīng)力主導(dǎo)下，放射紋在較大范圍內(nèi)清晰，完整，待到外界拉應(yīng)力作用減弱后，放射紋在鋼化玻璃自身殘余拉應(yīng)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(shí)動能較大，鋼化玻璃破碎時(shí)形成較大的孔洞，放射紋密度大而且在一定范圍內(nèi)清晰完整；破窗錘能量較小，鋼化玻璃破碎時(shí)在打擊點(diǎn)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(xiàn)象。

[1] 郭 衛(wèi),童樹庭,朱雷波.玻璃鋼化工藝過程與鋼化應(yīng)力的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2005(01):100-104.

[2] 李 磊 ，安二峰，楊 軍.鋼化玻璃的動態(tài)力學(xué)性能研究[C].中國數(shù)學(xué)力學(xué)物理學(xué)高新技術(shù)交叉研究學(xué)會.數(shù)學(xué)·力學(xué)·物理學(xué)·高新技術(shù)交叉研究進(jìn)展，2010(13)卷,2010:9.

[3] 包亦望,劉正權(quán).鋼化玻璃自爆機(jī)理與自爆準(zhǔn)則及其影響因素[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào),2016,31(04):401-406.

[4] 保 莉,鄧 靜.基于comsol的弧形鋼化玻璃應(yīng)力變形分析[J].門窗,2013(09):261.

[5] 許 莉,王聯(lián)委,石震峰,等.汽車鋼化玻璃邊部應(yīng)力分析與控制[J].玻璃,2009,36(09):35-38.

[6] 翟守元.物理鋼化玻璃應(yīng)力斑產(chǎn)生機(jī)理與解決途徑[J].中國建材科技,1995(06):28-30.

[7] 李建光. 巖土類材料的損傷本構(gòu)模型及其在沖擊動力學(xué)問題中的應(yīng)用[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[8] 任會蘭,寧建國.沖擊壓縮下準(zhǔn)脆性材料含微裂紋損傷的本構(gòu)模型[J].材料工程,2007(03):18-21.

[9] 馬曉輝,陸洪凱.玻璃破碎原因簡要分析[J].門窗,2007(05):48-52.

[10] 方維鳳,余曉青.沖擊載荷作用下平板玻璃穿孔機(jī)理[J].振動與沖擊,2007(01):42-44.

[11] 杜繼實(shí),雷楊俊,張國亮.工程應(yīng)力玻璃斷裂過程討論[J].材料導(dǎo)報(bào),2014,28(S2):188-191.

[12] 戴 林.特殊痕跡檢驗(yàn)[M].北京:警官教育出版社,1994.