金属物体高温熔融形态特征检验
陈 进1，刘玲利1，权养科2，张前上1，王学虎1
（1. 江苏省公安厅物证鉴定中心，南京 210031；2. 公安部物证鉴定中心，北京 100038）
摘 要: 金属等固态物质在高温下可发生熔融。由于表面张力的作用，熔融物在冷却过程中会形成球形、近似球形的颗粒，或者在较大的金属物体的表面形成融化状痕迹。在法庭科学领域，由于爆炸、纵火、电击、枪击等类案件中一般都会出现局部或一定范围的高温现象，因而相关物证表面熔痕的检验以及现场提取的熔融状残留物检验，对案件的侦破具有十分重要的意义。另外，焊接、切割等金属加工产生的熔融状金属微粒，对于推断嫌疑人职业特征也可提供重要依据。目前我国法庭科学微量物证检验多以化学成分检验为主，对形态检验重视不够，有些甚至完全忽视了形态检验。本文对射击残留物、电流斑金属颗粒、焊渣、砂轮切割金属碎屑的检验方法进行了总结，对微观形态的形成机制和证据价值进行了分析，并针对我国当前此类物证检验中存在的问题，提出今后工作的建议。
关键词: 法庭科学；形态特征；高温；球形颗粒；射击残留物；电流斑；焊渣；砂轮切割屑
在爆炸、纵火、涉枪、电击、盗窃等各类案件中，由于高温的作用，有些物证的外观和形态会发生变化，这可能对现场分析和物证的提取带来困难，但对有些物证的检验会带来有利的一面，尤其是金属、射击残留物等微量物证的微观形态检验。这些物质经历高温熔融甚至汽化，其冷却后的固体表面形态发生变化，形成可能具有很强特异性的微观形态。应用扫描电镜等仪器进行形态检验，不但可对成分相同的物质做进一步区分，而且可为犯罪分子作案过程或作案手段的分析提供证据，为现场重建提供信息。本文在国内外微量物证检验的技术现状基础上，结合我们的检验实践和研究，对上述微量物证的高温形态特征的形成机制和检验方法进行了分析和总结，并对存在的问题和今后工作方向进行了讨论。
1 常见物证的高温熔融形态
1.1 射击残留物（GSR）
检出GSR颗粒的结论需同时满足两个条件:一是颗粒中检出底火起爆药（可包括底火封装材料）的特殊元素成分，如我国常见制式手枪弹GSR可检出含S、Sb、Sn或S、Sb、Sn、Ba、Pb元素的颗粒；二是颗粒为球形、近似球形或其它高温熔融或汽化后凝结的各种不规则形态[1]（图1～3）。迄今为止在自然界尚未发现能同时满足上述两个条件的物质[2]，因此，SEM/EDS法检验GSR是目前公认的最好的GSR检验方法[3]。球形或近似球形GSR颗粒的直径从亚微米到几百微米。不规则和聚合颗粒通常在较大尺寸GSR颗粒中占大多数，尺寸从几微米到几百微米[4]。
图1 射击残留物球形颗粒
Fig.1 Spherical GSR particles
图2 射击残留物近似球形颗粒
Fig.2 Quasi-spherical GSR particles
图3 不规则形态的射击残留物颗粒（表面弯曲光滑，有瘤状物）
Fig.3 Irregular GSR particles with smooth-and-curved surface or nodules
1.2 电流斑（Electric Marks）
典型电流斑皮肤大多能检出超出正常值的金属元素成分或金属颗粒，有些电流斑还能找到球形金属颗粒，表面光滑，绝大多数直径小于5 μm，极少数可达几十微米（图4）。
图4 电流斑中球形金属颗粒
Fig.4 Spherical metal particles on the skin of electric mark
图5是一起电击致死案中死者衣服上检出的金属颗粒。该案是一起受害人失踪两年的案件。发现遗骸时尸体已白骨化，死者所穿外衣胸前有破损和烧灼痕迹。在衣服烧灼处检见衣服人造纤维的末端熔珠现象，熔珠呈球形，表面光滑，并检出大量球形金属颗粒[5]，说明极可能是高温和电弧作用形成，间接验证了电击致死的猜测。后据一电野猪人员交代，发现意外电死受害人后，将受害人尸体搬动并藏匿于林中。这是缺乏电流斑皮肤组织情况下进行检验的一个特例。
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图5 死者所穿衣服上的纤维熔珠和许多明亮的球形金属颗粒
Fig.5 Melting beads of syntheticfibre and lots of small spherical bright metal particles appearing on the victim’s jacket
1.3 焊渣（Welding Fume Particles）
法庭科学实验室一般以找到球形颗粒作为认定GSR的前提条件。但是，球形或近似球形并不是高温熔融形成的唯一形态特征，符合高温熔融形态特征的其它形态的颗粒，只要其拥有GSR特征元素，也应该认定为GSR颗粒，但这种认定必须结合同时检出球形或近似球形GSR情况下综合运用。我们在案件中发现当前新出现的自制9 mm或7.62 mm子弹，系用击发过的旧弹壳改制，挖掉废底火后填入氯酸钾和红磷并封装。这种自制子弹的底火残留物的球形或类似球形颗粒数量较少，大多数为含氯、钾和磷元素的不规则形态颗粒。在背散射像中，这些颗粒亮度较暗。值得注意的是仍有可能找到制式弹底火残留物颗粒，这些颗粒原残存于旧弹壳中并随着自制子弹的击发而逸出，极易误判为制式弹发射。这些颗粒或多或少含有氯、钾和磷元素，这是区分到底是制式弹底火击发还是自制弹底火击发的重要依据（图9）。
McDermott报道过三起案例，涉及砂轮切割机切割金属产生的碎屑[7]。在两起切割普通钢和不锈钢材料的盗窃案件中，无论嫌疑人衣服上粘附的金属颗粒还是现场遗留的金属碎屑，在检出片状、弯曲、有条纹的铁质切屑的同时，还能检出球形铁质颗粒（图7）。球形颗粒的直径大多为几十至几百微米，有些表面有孔洞，并有条纹。在一起切割铝质材料制作爆炸物案件中，嫌疑人衣服上粘附的金属颗粒和铝质啤酒桶切割口遗留的金属碎屑只检出铝质切屑，未能找到任何球形铝质颗粒。
图6 焊渣球形铁颗粒
Fig.6 Spherical iron dross produced from welding
1.4 砂轮切割机形成的金属碎屑（Particles Formed by Abrasive Disc）
可我对蒋利学却并不熟悉，要不是发生这件事，我可能这辈子都不会认识蒋利学，更不会知道这个世界上还有一个叫蒋利学的人。但不管我事先熟悉不熟悉蒋利学，蒋利学这个人都是真实存在的，并且这个叫蒋利学的家伙还和我生活在同一个国家，同一个省。
底火在一定的撞击压力下起爆，并引爆发射药，在不到1ms的时间内形成1500～2000 ℃、1400 psi乃至3600 ℃、40000 psi的高温高压环境[8]。无锈蚀性击发药的主要配方为:斯蒂酚酸铅、硫化锑和硝酸钡，其GSR常见特征元素为Pb、Sb和Ba，它们的熔融温度分别为:327 、630.5、725 ℃，汽化温度分别为:1620、1380、1140 ℃，均低于子弹发射瞬间的爆炸环境温度。大部分底火材料爆炸时参与化学反应，少部分未完全反应的底火颗粒在爆炸的瞬间可部分或完全熔融或汽化，从枪支逸出，遇外部环境快速冷却形成固态。一些体积很小的颗粒，由于在极短时间就能比较充分液化，在表面张力的作用下形成球形冷却后固定。一些体积较大的颗粒还没来得及完全液化或汽化就开始冷却。这些较大颗粒只是浅表层液化，颗粒的总体形态没有大的改变，表现为没有明显的棱角，表面为较为光滑的曲面，常有瘤状物附着。有一些不同种类的颗粒可熔融聚合在一起形成聚合型颗粒。底火成分汽化后会混杂汽化的底火封装材料、弹头、弹壳和枪体材料，这些气体降温后可单独凝结成球体，也可在其它颗粒表面凝结。我们对GSR颗粒的形态种类和尺寸进行了统计（见图8）。从枪手的右手总计检出49颗射击残留物颗粒，最小0.3 μm，最大 134 μm。小于 5 μm 的颗粒绝大多数是球形，5～15 μm的颗粒是球形或近似球形， 大多数大于15 μm的颗粒是非球形。统计结果验证了上述分析。
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图7 嫌疑人所穿衣服（左）和现场保险箱（右）上的球形金属颗粒和切屑
Fig.7 Metal spheres and cut dross on suspect’s clothes (left) and the safe (right) at the scene
2 形成机制和特征分析
2.1 高温熔融形态的形成机制
在一定压力下，液态物质低于熔点温度时会变为固态。在这一过程中，液态物质的表面张力促使液体缩小其表面面积。由于球面是同样体积下液体面积最小的形态，因此在没有外力的情况下（比如在失重状态下），液体在平衡状态时总是呈球状。
咨询单位与设计单位之间协作程度高，将是一种价值共创，其过程中并未加重对方的负担，而双方的满意度都会提高。
一个曲面通常可以用相应的两个曲率半径来描述，即在曲面上某点作垂直于表面的直线，再通过此线作一平面，此平面与曲面的截线为曲线，在该点与曲线相切的圆半径称为该曲线的曲率半径r 1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交，可得到第二条截线和它的曲率半径r 2，用r 1与r 2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的，液体内部的压强p 1与液体外的压强p 2就会不同，在液面两边就会产生压强差Δp =p 1-p 2，称附加压强，其数值与液面曲率大小有关，可用拉普拉斯方程（Laplace equation）表示为:
球形液体的表面张力总和为:
其中Δp 为压强差，σ为液体的表面张力系数（dyn/cm），r 为球的半径（cm）。
对于球形，r 1=r 2，根据上式可推导出
在这个科技发达的时代，许多新的设施已经投入到电网的使用中去。大城市的整个电力系统已经焕然一新，这些设施的使用也很好的经济的控制了供电方面的浪费。所以，尽最大可能改善农村配网的设施可以有效发展农村电力问题，还可以为农村节省一笔不必要的浪费。
重力为:
其中ρ 为液体的密度（g/cm3）。因为1达因（dyn）≈1.02×10-3克力（gf），比较这两个力的大小可以得到表面张力-重力比（F /G ）:
由上式可知，液体球的F /G 与半径的平方成反比，随着半径的减小，比值急剧上升。如1131 ℃液态铜的表面张力系数为1103 dyn/cm，对于半径1 mm的液态铜球，F /G 约为76。对于半径为1～10 μm的液滴，F /G 约为105～107，此时重力的作用几乎可以忽略不计，即使受到撞击等外力也可表现为非常理想的球形。对于飞行过程中的液滴，由于处于失重状态，液滴是标准的球形。
从以上分析我们不难得出以下结论和推论:对于微小的液态物质，表面张力会起主要作用，表现为球形或类似球形。尺寸微小的固体，遇到瞬间的熔融高温易完全熔化，加上表面张力起主导作用，冷却后易形成球形固体。尺寸较大的固体，遇到瞬间的熔融高温有些只能表面熔化，冷却后形成的固体仍保留熔融前的大致形态，表面为光滑的曲面。在瞬间汽化高温下，尺寸微小的固体相对于熔融高温条件更易完全熔化甚至汽化，而尺寸较大的固体的表面更易熔化和汽化。汽化后的气体可附着于周边物体表面，也可能在特定条件下凝结并以球形颗粒形式存在。
2.2 射击残留物的形态特征分析
在整个社会热议工匠精神的过程中，提及最多的学习对象是德国和日本。纵观这两个国家的工业发展史，不难发现他们都分别经历了“学习他国——仿造——研究——创新”的过程。
图8 从枪手右手检出49颗射击残留物颗粒的大小和形状分布
Fig.8 The dimensions and shapes of 49 GSR particles collected from the right hand of the shooter
焊渣颗粒大多数为球形铁颗粒，成分以铁和氧为主。根据焊接方式和焊条药皮的成分不同，有些焊渣还可能含有钠、镁、铝、硅、硫、氯、钾、钙、钛、锰、铜、锌、钨等元素。球形颗粒的直径从亚微米到100 μm以上，有些球形颗粒表面有结晶形态，其中局部或许能见到三角形晶面[6]（图6）。
图9 自制子弹射击残留物检出以前发射残留在弹壳中并随着最后一次击发而逸出的制式底火颗粒
Fig.9 Standard primer residues, left in the cartridge case from previous shooting, were detected through their escape from the last shooting with the homemade bullet whose residues were tested
2.3 电流斑中金属颗粒的特征分析
电流斑是电流流经人体皮肤时产生的焦耳热及电解作用形成的特殊皮肤损伤。皮肤金属化是金属导体与皮肤接触形成电流斑的一个重要特征[9]。在疑似电流斑皮肤中检出异常含量的金属元素，是对法医病理检验阳性结论的重要支持。典型电流斑大多能检出异常含量的金属元素或金属颗粒，有些还能检出球形金属颗粒[10-13]。我们在实际检验中也发现，有许多疑似电流斑能检出球形金属颗粒，其直径以小于5 μm居多。这些微米级的球形颗粒应该是在表面张力作用下形成的，即这些颗粒经历过能使金属熔融汽化的高温环境。作为常见导电材料的铁、铝、铅和铜的沸点分别为:2750、2467、1740、2562 ℃，如此高的温度只有少部分材料（如乙炔）通过燃烧、激光、电弧等方法才能实现。考虑到典型电流斑一般尺寸为几mm，这样的创伤伴随球形金属颗粒的存在，暗示电弧形成的可能性极大。Jellinek等人指出，带电导体与皮肤接触时如果留有小的空隙会产生电火花[14]；谢仁福等人在制作电流斑实验时发现电流（交流电）的入口和出口处均能观察到电火花，能听见轻微的“喳喳”声[15]。电弧的温度高达6000～10000 ℃，足以熔融甚至汽化电极的表面，在强大的电场驱使下，这些金属液体或气体能以球形小颗粒的形态凝结并附着在电流损伤处。电流斑皮肤可检出金属元素或不规则形态金属颗粒，但不能证明皮肤损伤为电流斑，因为金属元素也可能来源于金属颗粒、金属氧化物等污染。比较电流斑和金属热灼伤皮肤可以发现，只有电流斑存在皮肤金属化现象，而金属热灼伤皮肤未检出金属元素[5,10]。因此，疑似电流斑处检出异常含量的金属元素或不规则形态金属颗粒，可支持病理检验符合电流斑表现的结论。而疑似电流斑处检出许多球形金属颗粒，不仅表明皮肤损伤中含有金属元素，还暗指极可能的电击环境，其价值要大于单纯检出金属成分或不规则形态金属颗粒，是对法医病理检验阳性结论的极有力支持[16]。在背散射像下将图像放大至5000倍以上，确认有效避开异物颗粒并在电流斑皮肤的干净部位采集能谱，常常能发现异常含量的金属元素。这些金属元素可能来源于电击时电解作用形成的金属沉积，也可能来源于电弧高温下金属电极汽化后沉积在皮肤上且扫描电镜无法分辨的微小金属颗粒，是皮肤金属化的重要证据。
值得注意的是，灰尘、土壤中也会存在较多球形金属颗粒，几乎都是不含其它金属元素的纯铁颗粒，它们有可能通过接触或气传方式残留在人体表面，以至于在正常人体皮肤特别是暴露部位都可能检出。含其它金属元素的球形颗粒的数量极少，甚至在粘附灰尘或泥土的样品台上都很难找到1枚。因此，疑似电流斑皮肤检出球形纯铁颗粒，只有在数量很多且明显多于疑似电流斑附近相同面积空白皮肤球形纯铁颗粒数量的情况下才有意义。而检出含其它金属元素的球形金属颗粒，即使数量很少，也有充分的信心判断与电击事件极可能相关。
试验结果表明，不同覆盖条件下，日平均水温、平均最高水温、水温平均日较差按高低排列，均表现为单层薄膜覆盖、对照、双层薄膜覆盖的变化规律，其中水温平均日较差的差别最为明显；而对照条件下，小龙虾幼苗存活率和蜕壳率均为最高，说明对照条件下，水温环境最有利于幼虾适应新环境，成活率最高，生长发育也最快。
2.4 焊渣形态特征分析
电焊的种类比较多，电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，其中又以手弧焊为各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法，它是以外部涂有药皮的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。焊条药皮由各种矿物类、铁合金有机物和化工产品（水玻璃类）等原料组成。药皮在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。
电弧的温度足以熔融和气化焊芯和药皮，产生的焊渣在表面张力作用下形成球形。有些焊渣的表面氧化，形成三氧化二铁，它具有菱形晶格结构[5]。因此表面氧化形成三氧化二铁的球形颗粒可见三角面型晶体。在遗留在现场的手套或衣服上检见焊渣颗粒，可推断作案人员可能的职业和工作生活环境，并可与比对样本进行成分和形态比对。
2.5 砂轮切割碎屑的形态特征分析
据分析推测[6]，用砂轮切割机切割钢材时，由于剧烈的摩擦会产生熔融高温。有些钢质碎屑在高温区域停留足够长时间从而熔融液化，形成球形。冷却固化过程中可能由于铁氧化结晶形成球形表面的条纹，并由于气体的析出形成孔洞。用砂轮切割机切割铝材时，由于铝的质地软，摩擦未能形成熔融高温，也就不能发现球形铝质颗粒。砂轮切割机形成的铁质碎屑，不仅能检出上述球形铁颗粒，还伴随大量的铁质切屑。根据嫌疑手套或衣服上这些球形铁颗粒和切屑，同样可判断其主人的职业特征，并可与比对样本进行成分和形态比对。
3 结论
在微量物证检验中，我们通常只注重元素成分分析，往往忽视微观形态背后隐藏的含义和价值。固体的高温熔融形态特征表明固体曾经历高温熔融状态，通常可以与爆炸、燃烧、电击、枪击等高温环境联系在一起。这种可揭示微量物质曾经的存在环境的形态特征，应该值得我们充分关注和利用。
在射击残留物检验中，虽然不同案件中犯罪分子使用的枪支和弹药可能不同，射击环境不同，进而导致射击残留物的元素组成、颗粒大小分布等不同，但除球形颗粒外，具有GSR特征元素的不规则形态的颗粒，只要具有高温熔融形态特征就应该认定为GSR。在电流斑和焊渣检验中，由于其涉及的金属元素为常见元素，广泛存在于人们的生活环境中，除成分检验外，高温熔融特征检验更为重要。如果疑似电流斑中检出大量球形金属颗粒，再结合颗粒成分分析，说明死者生前遭受电击的可能性极大。同样，通过成分和形态特征结合，可对焊渣和砂轮切割颗粒进行认定，从而可推断作案人职业，并可与比对样本进行比较，为侦查破案提供线索，为诉讼提供证据。
高温熔化特征不但可用于金属类物证的检验，也可用于塑料、合成纤维、玻璃等多种物证的检验。成分相同的物质，其结构和形态可能有很大差异，而微观形态的随机性和特异性往往更强，不但对鉴定和比对有重要意义，还有助于犯罪过程分析或现场环境推断，从而为还原现场、揭示真相提供更多信息。目前我国公安系统已经配置大量包括扫描电镜在内的显微分析仪器，充分发挥这些仪器的作用，在成分检验研究开展多年的基础上，进一步开展微量物证的形态检验研究，是今后工作的一个重要方向。
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Morphological Characteristics of Metal Object Formed with High Temperature and Their Forensic Applications
CHEN Jin1, LIU Lingli1, QUAN Yangke2, ZHANG Qianshang1, WANG Xuehu1
(1. Institute of Forensic Science, Jiangsu Provincial Public Security Bureau, Nanjing 210031, China;2. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China)
ABSTRACT: Metal solid substances and the like will melt into liquid state at the temperature greater than their respective melting point. The surface tension can render the melting tiny materials to form spherical or quasi-sphere particles when they are cooling, and even resulting in molten marks/patterns left on the surface of bigger metal object. Usually, local or partial high temperature will occur in the event of explosion, arson, electric shock or gun shooting. Therefore, forensic examination of the metal objects formed from melting to cooling and/or the molten marks/patterns is of great significance to investigate the involving cases. Additionally, the melting-to-cooling-generated metal particles may give clues for speculating the suspects’job, e.g., welding or cutting. Presently, forensic physicochemical examination pays more attention to chemical composition analysis, yet less or completely regardless to morphological examination. In this paper, through summarizing the examination methods about GSR, metal particles on electric marks, dross from welding and/or abrasive disc, the analysis was carried out into the micro-morphological characteristics and their formation mechanism at high temperature that had made the herementioned particles being produced, with discussions of their respective evidential value targeted. At last, suggestions were put forward to address subsistent problems about examining the evidence of the kind.
KEY WORDS: forensic science; morphological characteristic; high temperature; spherical particle; GSR; electric mark;welding fume particle; particle formed by abrasive disc
中图分类号: DF794.3
文献标识码: A
文章编号: 1008-3650(2019)05-0410-06
第一作者简介: 陈进，男，江苏扬州人，学士，副主任法医师，研究方向为微量物证检验和痕迹检验。E-mail: 768195259@qq.com
DOI: 10.16467/j.1008-3650.2019.05.007
收稿日期: 2017-06-12；修回日期:2017-07-19
引用本文 格式:陈进，刘玲利，权养科，等. 金属物体高温熔融形态特征检验[J]. 刑事技术，2019,44(5):410-415.
标签：法庭科学论文; 形态特征论文; 高温论文; 球形颗粒论文; 射击残留物论文; 电流斑论文; 焊渣论文; 砂轮切割屑论文; 江苏省公安厅物证鉴定中心论文; 公安部物证鉴定中心论文;