《刑事科學技術工程學基礎》介紹客體變形的一般原理、材料力學的基礎知識及繪圖的方法和要求。主要通過對材料微觀結構的論述闡明客體變形的微觀原理，使用材料力學的基本概念和方法將微觀與宏觀變形相結合，并介紹通過規范的制圖方法對客體變形的結果進行詳細描述的基本原理和要求。《刑事科學技術工程學基礎》盡量減少數學及物理公式的數量，力求以通俗的語言對數學理論和物理概念進行描述，使已掌握高等數學基本知識的讀者都能讀懂。《刑事科學技術工程學基礎》分三篇，第一篇為客體結構及變形原理，第二篇主要介紹材料力學的基本概念和原理，第三篇為繪圖基礎。
刑事科學技術為公安技術類的工科專業，主要利用工程學的技術手段，對物證進行檢驗分析。目前大部分刑事科學技術本科專業開設“普通化學”“分析化學”“大學物理”等相關基礎理論課程，但缺乏與公安實際相結合的專業理論基礎課。編者根據近年來的教學實踐，在所講授專業理論基礎課“客體結構及變形原理”內容的基礎上，將所收集的相關文獻資料整理、擴充，編成本書。
本課程的任務在于研究客體的微觀結構及其變形理論，初步認識計算客體的微觀和宏觀變形；了解不同客體成痕過程中的動力學、靜力學的解決方法；掌握使用工程圖學的規范對刑事物證進行精確描述的基本要求。為學習本課程，讀者應有一定的高等數學和物理學基礎，書中涉及的微分方程，除了對差分方程作適當講解，其他方面將直接引用相關結論。在運用這些數學工具時，注重解決實際工程問題，并加強對物理概念的解釋。本課程希望激發學生對刑事科學技術科學性的本質認識，使他們有能力在后續的專業課學習中將工程學的科學、規范、精確的思想，與刑事科學技術的應用相結合，從而能熟練、系統地掌握刑事科學技術必需的基礎理論與技能，初步具備從事刑事科學技術實際工作所需的研究能力，以適應國家對刑事科學技術人才的要求。
全書共包括13章。第l-5章為第一篇，討論客體結構及變形原理；第6～9章為第二篇，闡述材料力學的基本概念和原理；第10～13章為第三篇，講述繪圖基礎。本書涉及的問題比較廣泛，配合基本理論與分析方法的學習，書中備有一定數量的例題和習題，可作學生練習用。
本書由中國刑事警察學院謝冬柏和新疆警察學院單國編著。具體編寫分工如下：第1、2、4、12、13章及習題由中國刑事警察學院謝冬柏編寫；第6～9章由新疆警察學院單國編寫；第3、5章由西安科技大學朱明編寫；第10、11章及習題由中國刑事警察學院臧泰琦編寫；新疆警察學院呂石磊及吾布力·卡斯木參加了書中第3、5章及第6～9章習題的編寫；全書由謝冬柏統稿。陜西綏德縣公安局葉宇航繪制了書中的部分圖表，上海交通大學博士研究生張瀚龍參加了文字校對工作。在編寫過程中，得到了新疆警察學院院長李娟、刑事科學技術系主任吾提克爾·吾守爾的大力幫助和支持，科學出版社毛瑩編輯為本書的出版付出了大量心血，在此一并表示感謝。在編寫過程中，參考了相關文獻資料，從中獲益匪淺。
由于編者水平有限，加之時間倉促，難免存在不妥之處，懇請讀者批評指正。
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目錄
第一篇客體結構及變形原理
第1章緒論3
1.1我國刑事科學技術的發展與現狀3
1.2刑事科學技術的學科體系5
1.3科技的發展對刑事科學技術的要求6
1.4刑事科學技術新知識體系的建立6
1.5對刑事科學技術人才的新要求7
1.6刑事科學技術的“工程學”課程9
1.6.1“工程學”課程的設計原則9
1.6.2“刑事科學技術工程學基礎”課程簡介9
第2章金屬的結構及缺陷理論11
2.1金屬的特性11
2.1.1金屬鍵11
2.1.2金屬的特性12
2.2金屬的晶體結構12
2.2.1晶體與非晶體12
2.2.2晶體結構與空間點陣13
2.2.3三種典型的金屬晶體結構13
2.3晶體缺陷理論基礎20
2.3.1晶體缺陷概論20
2.3.2位錯24
2.3.3金屬晶體中的位錯27
2.3.4擴展位錯和面角位錯30
習題34
第3章金屬的塑性變形原理及規律36
3.1塑性變形的主要機制36
3.1.1滑移36
3.1.2孿生44
3.1.3其他變形機制45
3.2多晶體塑性變形的特點46
3.2.1變形的不均勻性46
3.2.2晶界的作用及晶粒大小的影響47
3.3合金的塑性變形47
3.3.1固溶體的塑性變形48
3.3.2多相合金的塑性變形48
3.3.3塑性變形對金屬組織與性能的影響50
3.4金屬的斷裂行為51
3.4.1斷裂的基本類型51
3.4.2脆性斷裂52
3.4.3韌性斷裂53
3.4.4影響斷裂類型的因素55
習題56
第4章金屬塑性變形的計算原理57
4.1基本概念和研究方法57
4.1.1應力狀態的基本假設57
4.1.2均勻變形與不均勻變形57
4.1.3基本應力與附加應力58
4.1.4研究變形分布的主要方法60
4.2自由變形理論61
4.3影響金屬變形行為的因素及所呈現的現象62
4.3.1接觸摩擦62
4.3.2變形物體的外端62
4.3.3材質不均的影響63
4.4殘余應力63
4.4.1殘余應力的概念63
4.4.2殘余應力所引起的后果63
4.5金屬塑性變形時的接觸摩擦64
4.5.1塑性加工時接觸摩擦的特征及摩擦定律64
4.5.2影響接觸摩擦系數的因素65
4.6變形力學方程67
4.6.1力的平衡方程67
4.6.2應力邊界條件68
4.6.3應變協調方程69
4.6.4屈服準則70
4.6.5塑性應變時的應力-應變關系70
4.7滑移線理論及其應用71
4.7.1基本假設71
4.7.2基本概念71
4.8極限分析原理72
習題73
第5章常用材料及其特點74
5.1碳鋼的分類、牌號和用途74
5.1.1碳鋼的分類74
5.1.2碳鋼的牌號及用途75
5.2合金鋼80
5.2.1合金鋼的分類及牌號80
5.2.2合金元素在鋼中的作用81
5.2.3鋼的強韌化機制83
5.2.4特殊性能鋼85
5.3高分子材料86
5.3.1工程塑料87
5.3.2特種塑料88
5.3.3橡膠材料88
5.4陶瓷材料88
5.5復合材料89
5.6木材和現代家裝建筑材料90
5.6.1木材90
5.6.2人造板材91
5.7紡織材料93
5.7.1紡織材料的分類93
5.7.2紡織材料的性能94
習題95
第二篇材料力學的基本概念和原理
第6章材料力學基礎99
6.1材料力學的任務99
6.2材料力學的研究對象及基體變形形式101
6.3變形固體的概念及其基本假設102
6.4桿件的內力與截面法104
6.4.1內力104
6.4.2截面法104
6.4.3應力105
6.5位移和應變105
6.5.1位移105
6.5.2應變106
6.6客體變形的概念107
6.7材料力學的特點107
6.8材料力學研究的主要問題及方法108
習題109
第7章軸向拉伸和壓縮112
7.1概述112
7.2軸力及軸力圖114
7.3軸向拉伸(壓縮)桿件橫截面上的應力115
7.3.1橫截面上的正應力116
7.3.2斜截面上的應力117
7.3.3軸向拉伸(壓縮)桿件的強度計算118
7.4拉伸和壓縮時材料的力學性質120
7.4.1退火低碳鋼拉伸時的力學性質120
7.4.2鑄鐵的應力-應變曲線121
7.4.3木材122
7.4.4壓縮時材料的力學性質122
7.4.5容許應力和安全系數123
7.5超靜定問題及其解法124
7.6應力集中的概念和應用126
7.6.1應力集中的概念127
7.6.2應力集中的應用129
習題129
第8章扭轉與彎曲131
8.1扭轉與彎曲概述131
8.2圓軸扭轉時的內力及形變131
8.2.1扭矩的計算132
8.2.2扭轉圓桿截面上的應力135
8.2.3低碳鋼和灰口鑄鐵的τ-γ曲線137
8.2.4應力互等定理139
8.3梁彎曲時的內力及變形140
8.3.1彎曲時的內力分析140
8.3.2剪力及彎矩圖141
8.3.3剪力、彎矩和荷載集度間的關系143
8.3.4疊加法作彎矩圖146
8.4斜彎曲148
8.4.1正應力計算148
8.4.2中性軸的位置、最大正應力和強度條件149
8.5斜彎曲變形特點151
8.6組合變形151
習題152
第9章材料的破壞及強度理論153
9.1材料的破壞條件153
9.2兩種失效形式156
9.3四種常用的強度理論157
9.4相當應力161
9.5莫爾強度理論161
9.6雙剪應力強度理論163
習題164
第三篇繪圖基礎
第10章立體上點、直線、平面的投影169
10.1點的投影分析169
10.2直線的投影分析171
10.3平面的投影分析173習題175
第11章立體及表面交線的投影作圖177
11.1常見立體作圖177
11.1.1棱柱177
11.1.2棱錐178
11.1.3圓柱179
11.1.4圓錐180
11.1.5圓球180
11.2立體表面交線181
11.2.1截交線的投影作圖181
11.2.2相貫線的投影作圖182
習題184
第12章組合體的視圖及尺寸標注186
12.1組合體的組合形式與表面連接關系186
12.1.1組合體的組合形式186
12.1.2組合體中相鄰形體表面的連接關系186
12.2畫組合體視圖的方法與步驟188
12.2.1疊加型組合體的視圖畫法188
12.2.2切割型組合體的視圖畫法190
12.3組合體的尺寸標注191
12.3.1尺寸標注的基本要求191
12.3.2尺寸標注舉例191
12.3.3綜合應用193
習題196
第13章零件圖198
13.1零件圖的概述198
13.1.1零件圖與裝配圖的作用和關系198
13.1.2零件圖的內容198
13.2零件結構形狀的表達200
13.2.1選擇主視圖200
13.2.2選擇其他視圖201
13.2.3零件表達方案選擇舉例202
習題204
參考文獻207
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第一篇 客體結構及變形原理
第1章 緒論
刑事科學技術是公安機關、國家安全機關、人民檢察院、人民法院依據事件的法律性質，運用現代科學技術的理論和方法，收集、分析、檢驗和鑒定與犯罪活動有關的各種物證材料，為偵查、起訴、審判工作提供線索和證據的專門性技術手段。隨著社會治安形勢的日益復雜，刑事犯罪呈現出智能化、專業化、科技化和集團化的發展趨勢，作為打擊刑事犯罪主力軍的公安機關迫切需要熟練掌握刑事科學技術技能的專業人才。刑事科學技術專業在本科階段的培養目標是培養能熟練、系統地掌握刑事科學技術必需的基礎理論與基本方法技能，具備從事刑事科學技術實際工作所需要的動手能力及初步研究能力，適應公安司法機關刑事科學技術部門需要的全面發展的高素質應用型人才。
1.1 我國刑事科學技術的發展與現狀
新中國建立以后，我國現代意義上的刑事科學技術開始發展，大致可分為三個階段：第一階段是新中國成立至20世紀70年代中后期，第二個階段是十一屆三中全會以后到20世紀90年代中期，第三階段是20世紀90年代后期至今。20世紀80年代中期開始，為滿足我國司法體制改革的實際需要，針對刑事科學技術工作長期徘徊不前的局面，對體制和機制進行了卓有成效的建設，使刑事科學技術出現了新的繁榮景象。在全國建立了部、省、市、縣四級刑事科學技術機構網絡，組織了一支人數眾多、實力較強的刑事科學技術隊伍，這支隊伍處于絕對的主導地位，起著十分重要的作用，是從事物證鑒定工作的中堅力量。在專業種類上，各種法庭科學技術如痕跡檢驗、文件檢驗、微量物證、理化檢驗、法醫物證、警犬技術及DNA分析等新技術、新方法，在我國均得到了發展和應用，科研實力和學術水平顯著提高。目前，刑事科學技術已經成為一門獨立的應用學科，組織機構也形成從中央、省、市、縣(區)分級檢驗逐級復核的網絡，建立了文檢、法醫、化驗、痕跡、照相、物證鑒定等專業技術齊備的刑事技術工作體系。但是在2000年之前，警察教育仍以中等職業教育為主體，警察高等教育規模很小，僅有中國人民公安大學和中國刑事警察學院兩所全日制本科警察高等學校。20世紀90年代末至21世紀初，隨著我國高等教育的大規模擴招，警察中等專業學校紛紛單獨或合并升格，高等專科教育成為警察教育的主體。2000年以后，我國警察高等教育才真正實現跨越式發展，但刑事科學技術在區域之間、專業之間的發展極不平衡。這些不平衡呈現出以下特點：一是經濟發達地區與經濟欠發達地區在人員、設備、經費投入、物資保障等方面差距較大；二是各專業的發展不平衡，法醫學、法醫病理、法醫物證、DNA 分析等專業因與醫學和生物學等相關學科相接近，從而實現了與這些專業的融合式的快速發展；而痕跡檢驗、刑事照相、文件檢驗等專業并未與相關學科的發展相結合，發展較為緩慢。這些發展的不平衡造成我國刑事科學技術工作的整體水平與發達國家相比存在較大的差距。
我國刑事科學技術研究的根本要求是理論與實踐相結合，刑事科學技術以其強大的應用功能為社會的進步作出了貢獻。應用性是建立在深厚的理論研究基礎上的，如果沒有系統完善的理論基礎，刑事科學技術很難得到快速發展。在刑事科學技術的發展過程中，必須加強理論研究，而理論研究也離不開大量的應用案例作為支撐，并將在實踐工作中得到證明。同時，這些理論也必須放到實踐工作中來加以檢驗，對實踐進行指導，才能把抽象的理論運用于實際工作中，確保所研究的刑事科學技術理論不與實踐相脫節，不脫離實際，并且在科學的基礎上實現檢驗鑒定結論的唯一性。因此，刑事科學技術最終的目的是建立嚴謹規范的科學方法及規范的技術手段，只有這樣才能實現檢驗鑒定的可重復性。這就要求在檢驗鑒定時首先對實踐中獲取的數據使用現代科學方法及先進技術進行分析，從中找到科學規律，從而建立起合理的標準化檢驗鑒定制度，再將這一標準廣泛應用到刑事科學技術的實踐中去，實現刑事科學技術工作的科學化、規范化和標準化。
檢驗鑒定工作是刑事科學技術的重要方面，是利用物理、化學的技術手段，采用儀器分析的方法，對物證進行檢驗而獲取檢驗結果的檢驗方法。檢驗鑒定作為專門為案件偵破服務的一門科學，對確定案件性質、確定偵查方向并為法庭提供證據發揮著重要的作用。近年來，隨著法制觀念的不斷深入、科學技術的快速發展，檢驗鑒定工作有著很好的發展機遇，但也面臨著巨大的挑戰。這些挑戰主要來自兩個方面：一是辦案單位對偵破案件的要求，即實踐性。隨著物證及其相關知識在基層現場勘查人員中的普及，要求進行檢驗鑒定的案件越來越多。近幾年，我國刑事科學技術部門受理的案件中，涉及物證檢驗的案件數量大幅度上升，涉及的檢材種類也不斷增加，對從事檢驗研究技術人員的工作能力提出了新的要求。二是來自法律程序的要求，即程序性。隨著我國法制建設的不斷發展及司法審判制度的逐步完善，對物證檢驗的質量要求也越來越高。不僅許多刑事案件的偵破要涉及物證鑒定工作，在日益增多的民事案件審理過程中也需要經過檢驗鑒定的物證作為證據，使得檢驗鑒定工作的范圍也越來越廣。
新《中華人民共和國刑事訴訟法》(簡稱《刑事訴訟法》)對鑒定人員提出了出庭作證的要求，這是對鑒定人員的專業素質、心理素質的新考驗。從新《刑事訴訟法》有關刑事技術鑒定的內容中不難看出，其要求的程序嚴謹、完備已經成為證據鏈中不可缺少的部分。隨著中國法制建設規范化水平的提高，對從事刑事技術人員的要求也在提高。首先要加強技術人員隊伍的管理，打造一支高素質的科技人員隊伍，建立刑事技術工作全程管理體系、加強有效監督。對刑事技術檢驗鑒定工作的案件受理、現場勘查、物證提取和處理、檢驗鑒定、鑒定結論的出具及物證的保存、歸檔等要實行全程管理，對刑事技術的每一環節都要做到有效監督。其次要逐步規范刑事科學技術的科研開發工作，加大科技創新力度，不斷使用新技術、新方法。對研究開發中產生的科研成果，要盡快轉化為戰斗力，并運用于實戰，以提高現場痕跡物證在偵查破案和訴訟活動中的地位和證據價值。最后要進一步加強對刑事科學技術工作的科學管理，調動刑事科學技術人員的積極性和創造性，提高工作效率，以此推進刑事科學技術的標準化、規范化建設。
1.2 刑事科學技術的學科體系
公安院校的刑事科學技術專業以培養高素質的應用型和創新實踐型人才為目的。作為公安技術一級學科下的重要二級學科，刑事科學技術專業經過幾十年的發展，從理論到實踐已經形成了較為完備的體系。公安院校的課程結構設置對于人才培養具有重要的作用，一般公安院校的課程結構分為四個模塊：公共基礎課、專業基礎課、專業課和選修課。這四個模塊分別由不同的課程組成，并且各模塊課程應該緊密結合，不能相互獨立，否則不利于教學的順利開展。每個模塊的專業課程設置都應該緊緊圍繞人才培養目標，從學生的實際情況出發，著眼于學生以后的發展和繼續深造，合理地安排課程及課時，培養學生探究、解決問題能力和實踐能力，這樣才能使學生更加牢固地掌握專業技術。刑事科學技術課程是公安院校的主要課程之一，其課程內容主要包括刑事圖像、文件檢驗、法醫學和痕跡檢驗等。這些課程可以基本滿足公安人員解決實際問題的需要，是公安院校學生學習的主要專業課程。但是刑事科學技術課程綜合性較強，涉及數學、物理、化學等相關學科知識，當前我國公安院校的課程結構設置欠合理，例如，數學、物理、化學學科沒有得到相應的重視，導致學生對基礎課程的掌握不夠牢固，進而影響刑事科學技術課程的開展。在內容設置上也存在一些問題，主要是教學內容陳舊，部分教學內容存在交叉重疊，教學案例過時陳舊、不夠典型等，綜合性和探索性教學有所欠缺，不利于培養學生今后在公安實戰中解決問題的能力。很多公安院校的刑事科學技術教學內容僅局限于教材，沒有進行合理的延伸、拓展，且內容的更新沒有和公安工作同步，傳統的教學內容已不能完全滿足基層公安機關對刑事科學技術人才的需要。隨著科學技術的不斷發展，犯罪分子的犯罪手段也越來越“高明”，公安機關對刑事科學技術人才需求的條件與目標也在不斷發生變化，這就要求刑事科學技術專業開設相應的科學技術課程，加強學科的理論深度，使學生的專業知識系統化、科學化，只有這樣才能保障刑事科學技術教學的順利開展，解決辦案中遇到的實際難題。
刑事科學技術專業在課程選擇中，既要注重實驗教學也要提高學生的理論水平，只有這樣才能建立堅實的實踐能力基礎。在教學中相關專業課程的選擇一定要注意培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。應根據刑事科學技術專業涉及的主要問題開設專門的課程，不僅可以培養學生的學習興趣，還可以拓展學生的視野。在刑事科學技術專業課程教學中不能局限于單一的專業方向內容，應該在專業方向基礎上更多地增加綜合性的知識體系，充分考慮到刑事科學技術專業課程和其他相關理工科課程之間的緊密關系，加強它們之間知識的綜合運用，加強不同課程之間的相互融合。例如，手印鑒定，可以包括現場手印提取原理、計算機自動識別技術、物證照相規范等，這就可以在一定程度上加強學生對相關理工科知識的掌握，提高學生對刑事科學技術學科的理解深度。
1.3 科技的發展對刑事科學技術的要求
刑事科學技術的發展以相關科學技術的發展為基礎。一方面，其他學科參與和滲透刑事科學技術研究之中，有利于刑事科學技術吸收相關學科的研究方法，提高了刑事科學技術的自身研究水平；另一方面，加強學科自身的研究和積累，憑借本學科自身的發展，產生學科不斷發展和完善的動力。相關學科的發展，多學科的融合，多種分析研究手段都應用到刑事證據的檢驗和鑒定中來。刑事科學技術工作者運用體現顯微鏡、生物顯微鏡、比對顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子發射和吸收光譜、X射線衍射儀、X射線熒光分析儀、紫外熒光顯現儀、亞離子激光器等物理分析儀器，可以分析檢驗各種無機物證及各類形象痕跡。運用薄層分析法、氣相色譜、液相色譜、紅外光譜、紫外光譜、氣-質聯用儀等化學分析儀器，可以檢驗毒品、麻醉品、炸藥、油漆、塑料等有機物證。使用熒光、偏光、相干、相差、金相顯微鏡，光學、熱學測量儀器，電學參數儀器，多段光源等，能檢驗血痕、精斑、人體組織等生物檢材。這些分析方法，在技術發達的國家已廣泛應用，英、美等國的警方還將這些過去只在實驗室才能使用的光譜、色譜等分析儀器和計算機，裝備于現場勘查車、巡邏車，對一些痕跡物證在現場直接進行分析鑒定，提高了工作效率。現代分析技術已在物證的發現、提取和檢驗鑒定中得到了廣泛的應用，刑事科學技術的檢驗范圍逐漸拓寬，檢驗技術逐漸科學化，刑事科學技術的重要性、價值性在刑事案件偵查中也逐漸凸顯出來。公安機關越來越依靠現代科技手段，通過痕跡物證來尋找和認定作案人。
1.4 刑事科學技術新知識體系的建立
隨著我國法制建設的完善和公民法律意識的提高，刑事科學技術工作在偵查、起訴、審判中的作用日益廣泛和顯著。在刑事科學技術的教學或者實際案件的檢驗鑒定工作中，要求刑事科學技術人員不僅要掌握相關的法律，還需要具備較強自然科學方面的知識。我國刑事科學技術學科在過去多年的發展中重應用輕理論，這限制了自身的發展。引進和發展刑事科學技術的量化理論，創新和重構具有特色的學科理論，是刑事科學技術未來的發展方向和最大挑戰。
刑事科學技術的發展必須依據科學研究及生產生活中已廣泛使用的技術和方法，使用科學的檢驗理論和方法來指導實戰工作，使理論與案件相結合，實現刑事科學技術理論的實踐應用。刑事科學技術在1998年列為本科專業目錄，屬于工學門類，2011年3月，經國務院學位委員會和教育部批準，公安學和公安技術分別列入《授予學位和人才培養學科目錄(2011年)》中法學及工學門類下的一級學科，刑事科學技術專業以“工”為主，“工”“法”結合的學科屬性尤為突出。
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