对平板玻璃坠落破碎裂纹特征情况的分析研究

　　一、引 言

　　各类窗、门，各种器皿、餐具、杯、盘、碟等玻璃制品，是人们日常生活中不可缺少的生活用品。在很多现场中，案犯都是通过对玻璃的破坏而开启门窗进入现场。在诸多现场经常能够提取到玻璃碎落的碎片。因此对于各类痕迹的分析判断和物证检验及提取成为了刑事技术人员研究的重要课题，急需技术支持与理论指导。笔者通过坠落平板玻璃制作实验样本，对平板玻璃坠落破碎裂纹特征情况进行分析研究，有利于判定玻璃破碎形态以及揭露犯罪嫌疑人对现场的伪装，为打击犯罪维护社会稳定提供技术标准以及理论依据。

　　二、坠落玻璃破碎原理及裂纹特征

　　（一）玻璃破碎形成原理
　　机械载荷作用，是指由于机械作用而产生的能引起玻璃介质运动或使介质有运动趋势的机械力。玻璃受机械载荷作用而破碎的情况，在犯罪现场出现最多。机械载荷作用玻璃，此时在玻璃内也可以形成应力波。当冲击物的速度较低时，在玻璃内形成的应力波是弱应力波，其应力峰值不能达到或超过玻璃的强度极限，此时应力波对玻璃没有破坏作用。而玻璃的破碎，是在冲击物的作用下，使玻璃产生微弱的变形，由于玻璃的变化而产生不同的应力分布，当应力值超过玻璃的强度极限时开始破裂形成裂纹。

　　（二）玻璃破碎裂纹形成痕迹特征
　　1.放射裂纹：放射裂纹是指以作用点为中心向四周辐射状分布的裂纹。放射状裂纹的形成，是在作用点处的斜面状断口形成后，由于玻璃的破碎而改变了原始状态，在作用点上产生了若干个裂纹源。此时冲击物继续对玻璃进行侵彻作用，玻璃在自由面作用点处的最大切向张应力作用下，从裂纹源向四周扩散。裂纹的扩散过程，始终沿着最大张应力所在的平面进行。

　　2.切向裂纹：切向裂纹是以作用点为中心，以某一长度为半径的圆环状或弧状裂纹。玻璃受载荷作用，在自由面形成斜面状断口，同时放射纹开始扩展。此时在作用点处，每两条放射纹线之间的玻璃成为自由端。自由端受载荷的持续作用，发生向冲击方向的弯曲，由于弯曲使入射面的圆环状径向张应值增大，若张应力在某一半径上出现极大值，并且超过玻璃的强度极限，则玻璃将沿着该半径的圆环，从入射面开始断裂，形成圆环状切向裂纹。

　　3.弓形纹：弓形纹形态能够确切地反映出均态应力场的应力分布方向，纹线汇聚表面为压应力面，纹线凹弧对应表面为张应力面。弓形纹所反映的是载荷破坏过程中连续脉冲在玻璃内部的传递。由于载荷作用，在裂纹前沿聚集能量。

　　当聚集的能量超过断裂所需能量时，裂纹向前扩展。裂纹扩展同时能量被消耗，此时裂纹停止扩展而形成第一条弓形纹。由于载荷的连续作用，在裂纹前沿第二次聚集能量，并使裂纹继续扩展。如此连续进行就形成了若干条弓形纹。

　　三、实验部分

　　（一）材料及仪器
　　卷尺、厚度为 3mm 的玻璃、立体显微镜、数码相机、光滑水平大理石地面
　　
　　（二）样本制作
　　1.把厚度为 5mm 平板玻璃水平放置在桌子上，注意桌面要平整，用湿抹布将玻璃表面擦净。在玻璃表面用尺子量出 30cm×30cm 的正方形，用油笔描出黑线。

　　2．用玻璃刀沿着画好的黑线切割玻璃。

　　（三）实验过程
　　1.玻璃水平坠落痕迹。（见图 1）【图1】

　　（1）用卷尺测量出离地高度将高度确定为1.2m 在墙上将高度固定。

　　（2）用细胶带将玻璃边沿部分固定以免大量崩离难于拼接。

　　（3）将 3mm（30cm×30cm）玻璃用手举起在预先测好的 1.2m 高度，尽量保持与地面水平，然后放手让玻璃自由坠落。

　　（3）将碎裂崩离的玻璃碎块收集后拼接。

　　2.玻璃与地面呈 45 度角自由坠落。（见图 2）【图2】

　　
　　（1）用卷尺测量出离地高度将高度确定为1.2m 在墙上将高度固定。
　　
　　（2）用细胶带将玻璃边沿部分固定以免大量崩离难于拼接。

　　（3）将 3mm（30cm×30cm）玻璃用手举起在预先测好的 1.2m 高度，将玻璃与地面呈 45 度角状态，然后放手让玻璃自由坠落。

　　（4）将碎裂崩离的玻璃碎块收集后拼接。

　　3.玻璃与地面呈 90 度角自由坠落（见图 3）【图3】

　　
　　（1）用卷尺测量出离地高度将高度确定为1.2m 在墙上将高度固定。

　　（2）用细胶带将玻璃边沿部分固定以免大量崩离难于拼接。

　　（3）将 3mm（30cm×30cm）玻璃用手举起在预先测好的 1.2m 高度，将玻璃与地面呈 90 度角状态，然后放手让玻璃自由坠落。

　　（4）将碎裂崩离的玻璃碎块收集后拼接。

　　四、结果及分析

　　（一）玻璃水平坠落痕迹特征
　　平板玻璃发生碎裂，并且出现多个放射纹作用点（如图 4）；放射纹较长延伸到边缘，放射纹线的密度较大；在放射纹上弓形纹向上汇聚（从作用面向自由面汇聚）；切向裂纹中弓形纹向下汇聚（从自由面向作用面汇聚）（如图 5）。由于玻璃属于脆性材料在其发生碎裂过程中，是因发生了内部脆性断裂。根据脆性材料强度理论中的最大拉应力理论（第一应力理论）。【图4-5】

　　只要最大拉力 T 达到与材料有关的某一极限值δ，材料就发生断裂。即认为材料破坏原因是由于最大拉应力的作用（T≥δ）。

　　玻璃水平下落，当玻璃与地面接触时，玻璃接触面的各个点同时与地面接触，受力均匀。在玻璃上应力分布相同，其最大应力未能达到玻璃的某一极限值，所以玻璃不发生碎裂。

　　1.放射纹形态特征与作用点位置分析：根据脆性材料强度理论中的最大拉应力理论（第一应力理论）。在玻璃不完全水平情况下玻璃的某一点、某一边与地面首先接触，使玻璃产生不平均应力，从而产生的最大应力大于或等于玻璃自身张应力极值。从而玻璃发生碎裂。

　　放射纹的长短、曲折程度、密集状态与作用力的大小，着力面积的宽窄等有关。作用力大、着力点小穿透的速度快，则辐射纹短小、弯曲、密集。反之，则裂纹粗长、平直、疏散。由于玻璃下落近乎水平状态，在玻璃与地面接触过程中是某一面与地面接触，接触面上多个点能够达到玻璃自身张力极值，所以产生多个作用点。由于玻璃是非水平状态下落地，不同作用点在时间上存在先后顺序，因此部分裂纹在形态上可以看出先后顺序。注：在此种情况下由于出现多个作用点，所以放射纹线和切线裂纹纹线经常出现交叉情况，易把其他作用点的放射纹线看做当前纹线的切向裂纹而影响纹线上弓形纹的分析结论，在观察分析过程中要仔细辨认。

　　2.弓形纹汇聚方向分析：根据玻璃弓形纹形成原理，我们可以得出，水平坠落的玻璃上表面为压力面，下表面为张力面。同时其破碎形成的作用面为下表面。平板玻璃碎裂痕迹弓形纹汇聚方向的原因：

　　（1）与机械载荷作用相比，机械载荷作用是点作用，且玻璃有固定边；平板玻璃坠落是面作用，无作用边所以不能用机械载荷情况下弓形纹汇聚的原理来对其进行解释说明。

　　（2）此问题从根源上分析影响因素是脆性材料的冲量定理以及脆性材料形变断裂的能量吸收问题。

　　（二）玻璃与地面呈 45 度角坠落痕迹
　　在玻璃与地面呈 45 度角状态下自由坠落过程中，平板玻璃一侧边与地面先接触，较高一侧玻璃面后与地面接触。经过大量实验发现在较高面上出现多个作用点痕迹，即在玻璃自由坠落过程中作用面为较高侧面。（如图 6）【图6】

　　
　　平板玻璃发生碎裂，并且出现多个放射纹作用点。作用点出现在较高一侧；放射纹较长延伸到边缘，放射纹线的密度较大；在放射纹上弓形纹向上汇聚（从作用面向自由面汇聚）；切向裂纹中弓形纹向下汇聚（从自由面向作用面汇聚）。（如图 7）【图7】

　　
　　1.放射纹形态特征与作用点位置分析：在玻璃坠落过程中，与地面先接触的一侧因为重力和玻璃自身硬度不能够发生缓冲，所以与地面有一相对滑动过程，此滑动过程将玻璃下落过程中的机械载荷转移到了较高一侧，加快较高一侧的下落速度，较高一侧获得更大的应力作用，当应力达到或超过脆性材料屈服极限 σ 时，玻璃发生碎裂。此种情况下实验目的在于了解和分析玻璃自由坠落过程中作用点出现的条件和位置、区域的划分。

　　2.弓形纹汇聚方向分析：此种情况下的弓形纹与水平状态下自由坠落的弓形纹形态相同在放射纹上弓形纹向上汇聚（从作用面向自由面汇聚）;切向裂纹中弓形纹向下汇聚（从自由面向作用面汇聚）。

　　（三）玻璃与地面呈 90 度角状态下自由坠落痕迹
　　玻璃裂纹呈不规则网状分布（如图 8）；玻璃随碎块呈不规则多边形分布。（如图 9）；裂纹上无出现作用点痕迹。当玻璃呈玻璃与地面呈 90 度角状态下自由坠落时以撞击面为起点形成与玻璃表面平行的横波，由于所有下落的动能全部转换为横波，所以横波较大，横波在玻璃内传播，横波波面所到之处，介质内质点将沿玻璃厚度方向运动。由于相邻指点的相对运动，则玻璃内形成剪切应力，剪应力方向与玻璃表面垂直。剪应力与下落的冲力形成合成应力，在合成应力作用下在最大张应力所在的曲面断裂形成贝壳状断裂面不规则多边形断裂面。此时后续的横波和球面波又能形成新的合成应力，并且不断改变方向，使裂纹继续沿新的最大张应力曲面断裂。由于裂纹前沿在合成应力作用下不断扭转，使裂纹前沿产生分歧，致使形成的放射纹形态弯曲。【图8-9】

　　五、结 论

　　1.玻璃自由水平坠落：裂纹中出现多个作用点，少数玻璃边沿着地情况在玻璃边沿上出现单个作用点。作用点出现在离地面较高一侧，可将作用点看做作用面；平板玻璃与地面成 45 度角自由坠落：裂纹出现多个作用点，放射纹密度较大，弓形纹向上汇聚，作用点出现在离地面较高一侧；平板玻璃与地面成 90 度角自由坠落：玻璃碎块形态呈不规则多边形，放射纹形态弯曲不规则。

　　2.平板玻璃自由坠落碎裂痕迹裂纹中放射纹上弓形纹向上汇聚（从作用面向自由面汇聚）；切向裂纹中弓形纹向下汇聚（从自由面向作用面汇聚）。作用点出现在离地面较高一侧。

　　通过对平板玻璃坠落破碎情况进行的分析研究，有利于推断犯罪分子的作案手法，可以为案件的侦破提供线索，提高办案质量和办案效率。为刑事科学技术发展提供技术和理论支持，对打击犯罪维护社会稳定具有深远意义。

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