物理鋼化玻璃裂紋的形態特征分析

孟滿 高琳

摘要：以鋼化玻璃物理特性為基礎，全面分析不同類型物理鋼化玻璃破裂后的裂紋形態，論述了不同作用方式下鋼化玻璃的規律性裂紋形態。認定鋼化玻璃自爆原因時，應摒棄傳統硫化鎳成因絕對論，其他雜質顆粒以及結構缺陷在成因中也占很大比例。判斷鋼化玻璃受沖擊而破裂的作用方式及相關信息，必須首先確認玻璃的鋼化類型，再結合裂紋及開裂點具體形態，才可以為案件的偵破提供正確的偵查方向。

關鍵詞：鋼化玻璃自爆；蝴蝶斑；放射裂紋；切向裂紋；閉合圓環裂紋

中圖分類號：TQ171.732文獻標識碼：A文章編號：2095-4379-（2017）11-0023-03

作者簡介：孟滿（1987-），男，滿族，河北保定人，中國刑事警察學院，刑事科學技術專業在校碩士研究生，研究方向：特殊痕跡。

Analysis on morphological characteristics of physical tempered glass cracks

Abstract： Based on the physical properties of tempered glass，the article analyzes the morphological characteristics of cracks made from different tempered glass completely，and discusses the regular crack morphology by different mechanics modes.When we need to identify the source of self-fracture，should abandon the doctrine of absolute nickel sulfide，it could be caused by structure defects and other impurity particles.For identifying the mode and related information of the glass fracturing，we should confirm the type of glass firstly，then combine with cracks and cracking point，can indicate the correct direction in investigation stage.

Key words： Self-fracture in tempered glass；Butterfly rash；Radiated cracks；Tangential crack；Closed-circle crack

玻璃裂紋痕跡作為特殊痕跡中的一種重要物證，一直是公安技術中較為棘手的學科，因為玻璃材料自身結構具有長程無序、微不均勻和不連續性的特點，其在破裂時，裂紋表現出規律性的同時，也會有一定程度的隨機性。在目前的研究水平下，有些問題仍在探討階段，以現有的科技能力，我們尚不能完全、準確的預測出玻璃破裂時裂紋的全部信息。由于鋼化玻璃表面層存在均勻分布的永久壓應力，內層同時存留張應力，在破裂時更加難以預測裂紋的準確形態，但其仍然表現出一定的規律性。

玻璃的物理鋼化是把玻璃加熱至低于軟化溫度（其黏度值高于108Pa·s）后，將玻璃迅速冷卻，玻璃外部因迅速冷卻而固化，而內部冷卻較慢，從而使玻璃內產生很大的永久應力，在冷卻后使玻璃內部具有均勻分布的內應力。[1]影響物理鋼化玻璃鋼化程度大小的因素主要有鋼化溫度、冷卻強度和玻璃厚度，鋼化程度越高，玻璃中的應力越大，玻璃中內應力的大小與分布的均勻程度是鋼化程度的重要特征，宏觀上利用破碎后鋼化玻璃顆粒尺寸的大小及均勻程度來表征、檢驗考核鋼化玻璃中應力分布的均勻程度和鋼化程度。[2]

一、鋼化玻璃自爆的原因及裂紋形態

鋼化玻璃是由玻璃原片經再加工制成，在原片玻璃中往往存在硫化鎳（NiS）結石。鎳來自玻璃生產設備上使用的各種含鎳合金部件及窯爐中的耐熱合金，硫來自生產原料及燃料中的含硫成分。硫化鎳在溫度超過1000℃后，會以液滴的形式存在于熔融的玻璃液中，最終以α晶型存在于鋼化玻璃中，在室溫環境中，α晶型硫化鎳并不穩定，有逐漸轉變為β晶型的趨勢，這種轉變會使硫化鎳結石發生2%-4%的體積膨脹，從而在局部產生應力集中，最終導致整塊鋼化玻璃以這一點開始發生破裂，即我們所說的“自爆”現象。[3-5]由于硫化鎳是在生產過程中產生的，以現在的技術手段并不能完全清除玻璃中的硫化鎳結石，所以“自爆”現象并不能完全避免，在生活中常有發生。除了玻璃中的硫化鎳結石，還有其他雜質顆粒同樣會造成玻璃的“自爆”，如單質多晶硅、氧化鋁、硅鋁酸鈉等，這些顆粒造成的破碎與硫化鎳機理非常相似，[6]同時玻璃中存在的微氣泡、夾雜物等同樣會在溫度的影響下，發生與玻璃熱膨脹系數不匹配，從而導致應力的集中，最終發生“自爆”。玻璃中若存在可見的缺陷，如表面劃痕或者邊緣缺陷，同樣可造成“自爆”現象的產生，但這些可見的缺陷一般會在安裝前發現，從而被剔除。

鋼化玻璃的自爆形態具有非常典型的特點，其整體碎片成放射狀分布，蝴蝶斑是鋼化玻璃自爆最明顯的特征，在玻璃裂紋中明顯可以看到起爆位置處有兩小塊多邊形組成的類似蝴蝶翅膀圖案的碎片，如圖1，紅圈內的兩塊不規則多邊形特征明顯。蝴蝶斑中間的界面位置處通常為起爆點發生處，起爆點均處在玻璃的內部，而不會出現在表面位置，如圖2，可以看到明顯的小點，此點即為起爆點。在判斷鋼化玻璃破碎原因是否為自爆時，不可單憑蝴蝶斑碎塊，一定要結合起爆點的位置以及雜質顆粒。機械沖擊造成的裂紋碎塊同樣可以呈現出形似蝴蝶斑的特征，在鋼化玻璃破裂臨界沖擊力作用下，有時也可以看到在沖擊點位置出現兩小塊類似蝴蝶翅膀的碎片，且沒有明顯的沖擊孔洞。

二、鋼化玻璃受機械沖擊破裂的裂紋形態特征

（一）半鋼化玻璃的裂紋形態特征

鋼化玻璃按照鋼化程度可分為半鋼化玻璃和鋼化玻璃，半鋼化玻璃與鋼化玻璃生產過程相同，但在淬冷工位的風壓有區別，冷卻能較鋼化玻璃要小。半鋼化玻璃的表面壓應力在24-52MPa之間，鋼化玻璃表面壓應力大于69MPa，半鋼化玻璃的強度是退火玻璃的兩倍以上，介于普通玻璃與鋼化玻璃之間。玻璃原片受到半鋼化處理后能經受約75℃的溫差，且半鋼化玻璃不會發生自爆現象。半鋼化玻璃適用于幕墻和外窗，可做成鍍膜鋼化玻璃，鋼化后畸變程度優于鋼化玻璃。

半鋼化玻璃在破裂時，裂紋成放射狀，在整塊玻璃上只有放射紋，基本不存在切向紋，而且每一條放射紋都會延伸到玻璃的邊界，放射紋的拐點基本不存在，與普通玻璃和鋼化玻璃區別較大。由于半鋼化玻璃基本不存在切向紋，所以，半鋼化玻璃在受到機械沖擊作用破裂后，仍能保持整體不塌落。

（二）鋼化玻璃的裂紋形態特征

在實際案件中，鋼化玻璃受到機械沖擊作用，按照作用方式主要分為撬壓、敲擊、槍擊。為防止碎片，本次沖擊實驗部分的鋼化玻璃樣本，均采用低彈性模量的膠布覆蓋在玻璃試樣的加壓面上，由于玻璃為典型的高彈性模量材料，膠布的覆蓋并不會對裂紋的生長產生宏觀影響。鋼化玻璃尺寸為40*40cm，厚度為4.8mm，鋼化方式為物理鋼化。撬壓鋼化玻璃作用點多在玻璃的邊緣，裂紋起點也可以在玻璃邊緣明顯觀察到，較易分辨。使用逃生錘敲擊鋼化玻璃中心得到圖3，可以看到從敲擊點輻射出多條放射紋，且每一條放射紋均一直延伸生長到玻璃的邊緣。同時以敲擊點為中心，產生了多條切向紋，切向紋出現位置不確定，在放射紋只有在與切向紋相交時，才會出現拐點或分叉，并未形成閉合類圓環裂紋。但假若敲擊力量足夠大，在理論上，同樣可以產生以敲擊點為中心的閉合圓環裂紋。

使用快排吹仿真氣槍發射直徑8mm鋼珠，模擬槍擊鋼化玻璃，通過激光測速儀測速，沖擊尺寸為40*40cm，厚度為4.8mm的鋼化玻璃得到圖4、5，可以發現在速度較低時，鋼化玻璃破裂后產生的裂紋分布與敲擊產生的裂紋基本無異，如圖4（速度為77.26m/s），沖擊點出現形似喇叭口的圓形彈孔，以彈孔為中心輻射出多條放射紋，且每一條放射紋均一直延伸生長到玻璃的邊緣。同時以彈孔為中心，產生了多條切向紋，切向紋出現位置不確定。在鋼珠沖擊速度較低時，切向紋不形成或只能形成開放的類圓環裂紋；在鋼珠沖擊速度較高時，可以形成閉合類圓環裂紋，如圖5（速度為231.15m/s）。類圓環裂紋是否可以形成受以下兩個因素影響：1、鋼珠的沖擊動量；2、鋼化玻璃的抗沖擊強度，其中包括鋼化玻璃的種類、玻璃的厚度以及鋼化程度等自身因素。但閉合類圓環的直徑大小與彈頭的初速度及彈頭質量之間并沒有顯著的相關性，而與玻璃的規格尺寸之間存在對應關系，受玻璃規格尺寸制約影響大，有著顯著的相關性。這為利用殘缺的玻璃彈孔位置進一步判斷槍擊的位置及角度打下了基礎。對于槍擊鋼化玻璃來說，大多槍支會在彈孔周圍形成環形裂紋。[7-8]

三、總結

隨著鋼化玻璃在日常生活中日益增多的應用，鋼化玻璃裂紋形態的研究在痕跡檢驗中越來越具有實際意義。鋼化玻璃的裂紋形態具有一定的規律，但其表現形式受到自身材料性能和破壞方式兩方面因素影響，而表現出幾種典型的特征：半鋼化玻璃裂紋成放射狀，在整塊玻璃上只有放射紋，基本不存在切向紋，而且每一條放射紋都會延伸到玻璃的邊界，不存在放射紋的拐點；自爆破裂的裂紋，除具有普通鋼化玻璃的放射紋和切向紋外，還有明顯的蝴蝶斑與內部起爆點；受機械沖擊作用的鋼化玻璃，破裂程度受玻璃材料本身性能和沖量大小影響，且沖量越大，閉合圓環越易出現。若想根據鋼化玻璃的裂紋形態準確判斷破裂方式及相關信息，必須考慮鋼化玻璃的材料類型、鋼化方式及程度，結合裂紋及開裂點的具體形態，才可以為案件的偵破提供正確的偵查方向。

[參考文獻]

[1]趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]田純祥.鋼化玻璃的鋼化程度[J].玻璃，2009，215（8）：30-32.

[3]Swain M V.A fracture mechanism description of the microcracking about NiS inclusions in glass.Journal of Non-Crystalline Solids，1980：38-39：451-456.

[4]Swain M V.Nickel sulfide inclusions in glass：an example of microcracking induced by a volumetric expanding phase change.Journal of Materials Science，1981，16：151-158.

[5]Leon Jacob.A Review of the Nickel Sulphide Induced Fracture in Tempered Glass.Proceeding on Glass Processing Days，Finland，2001：108-110.

[6]包亦望，劉正權.鋼化玻璃自爆機理與自爆準則及其影響因素[J].無機材料學報，2016，31（4）：401-406.

[7]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（84）：45-50.

[8]戴林.特殊痕跡檢驗[M].北京：警官教育出版社，1994：31-52.