mł. insp. dr Krzysztof Borkowski kierownik Zakładu Daktyloskopii CLKP krzysztof.borkowski@policja.gov.pl mł. insp. mgr inż. Krzysztof Ćwik (autor korespondencyjny) kierownik Zakładu Broni i Mechanoskopii CLKP krzysztof.cwik@policja.gov.pl mł. asp. mgr inż. Krzysztof Biskup biegły z zakresu badań mechanoskopijnych, specjalista Zakładu Broni i Mechanoskopii CLKP krzysztof.biskup@policja.gov.pl Pasywne metody magnetyczne wstęp do badań kryminalistycznych Streszczenie Artykuł prezentuje pasywne metody magnetyczne stosowane w diagnostyce bezkontaktowej, które mogą znaleźć zastosowanie w badaniach kryminalistycznych, a w szczególności mogą być wykorzystane ramach projektu pt. Pasywne i aktywne metody magnetyczne jako podstawa nowej metodyki badań związanych z wykrywaniem, zwalczaniem i neutralizacją zagrożeń terrorystycznych oraz przestępczości zorganizowanej finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju i realizowanego przez konsorcjum naukowe, którego liderem jest Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji. Słowa kluczowe magnetyzm, MPM, MMM, defektoskopia, diagnostyka, badania Od przeszło dwudziestu lat coraz większe zastosowanie zyskuje bezkontaktowa diagnostyka (defektoskopia) magnetyczna, czyli metoda, której termin magnetyczna pamięć metalu (ang. MMM Metal Magnetic Memory) jako pierwszy wprowadził prof. A. Dubov (1994). Metoda magnetycznej pamięci metalu jest to pasywna metoda kontroli nieniszczącej (ang. NDT Non-Destructive Testing) oparta na rejestracji własnego magnetycznego pola rozproszenia elementu. Do zjawisk fizycznych, leżących u podstaw tej metody, należą: efekt magnetosprężysty; efekt rozproszenia zewnętrznych pól magnetycznych spowodowany nieciągłością lub strukturalnymi niejednorodnościami materiału (od obciążeń); procesy wzajemnego oddziaływania pól magnetycznych z dyslokacjami i ich kumulacją (tworzenie się i umiejscowienia granic domen magnetycznych na ściankach dyslokacji w strefach koncentracji naprężeń). Nieniszcząca metoda kontroli oparta jest zatem na rejestracji i analizie rozkładu własnych magnetycznych pól rozproszonych (WMPR), powstających w wyrobach i urządzeniach w strefach koncentracji naprężeń (SKN). Rozkład WMPR przedstawia nieodwracalną zmianę namagnesowania odzwierciedlającą kierunek działania głównych naprężeń od obciążeń roboczych, a także strukturalną i technologiczną dziedziczność metalu, wyrobu oraz spoiny po ich wykonaniu, a następnie schłodzeniu w polu magnetycznym Ziemi. W procesie wytwarzania, podczas stygnięcia metalu poniżej temperatury punktu Curie, jednocześnie z krystalizacją w magnetycznym polu Ziemi, formuje się jego tekstura magnetyczna. Niejednorodność struktury krystalicznej materiałów powoduje, iż w miejscach największej koncentracji defektów siatki krystalicznej (np. skupiska dyslokacji) i niejednorodności struktury, tworzą się węzły zamocowania ścianek domen. Na powierzchni elementu obszary te widoczne są w postaci linii zmiany znaku składowej normalnej jego własnego pola magnetycznego. Tym samym w trakcie kontroli metodą MPM wykorzystywane jest naturalne namagnesowanie, które pojawia się w postaci magnetycznej pamięci metalu podczas faktycznych PROBLEMY KRYMINALISTYKI 291(1) 2016 29
odkształceń, czego następstwem jest zachodzenie zmian strukturalnych w metalu. Zasada działania przyrządów rejestrujących oparta jest na zapisie impulsów prądu w cewce czujnika magnetyczno-modulacyjnego w czasie jego przemieszczania w polu magnetycznym rozproszonym nad badanym elementem. Mierzona wielkość to lokalne pole magnetyczne (metoda pasywna). Pole magnetyczne może być mierzone w różnych jednostkach. Spotyka się magnetometry wyskalowane w jednostkach natężenia pola magnetycznego A/m, jednak zwykle są to jednostki indukcji pochodnych tesli (mt). Podstawowymi parametrami diagnostycznymi, stosowanymi w procedurach diagnostycznych metody magnetycznej pamięci metalu, są linia zmiany znaku składowej normalnej pola magnetycznego: H n linia H n =0 oraz jej gradient (intensywność zmiany): dhn/dx (Ryc. 5). Coraz częściej wykorzystuje się również wartości składowej stycznej pola magnetycznego H s. Ryc. 1. Głowica z układem trzech sond w płaszczyznach (x, y, z). Podstawą metody jest użycie odpowiedniego czujnika, który proporcjonalnie przetworzy wartość wektora pola magnetycznego na proporcjonalny sygnał indukcji magnetycznej. Indukcja pola magnetycznego w powietrzu lub w próżni jest ściśle powiązana z natężeniem tego pola zależnością: B = µ r µ o H, gdzie: B indukcja magnetyczna [T]; µ r przenikalność magnetyczna względem materiału; µ o przenikalność magnetyczna w próżni 12,57 10-7 [H/m]; H natężenie pola magnetycznego [A/m]. Ryc. 5. Korzyści, wynikające z diagnostyki z zastosowania MPM, to przede wszystkim: ujawnienie stref koncentracji naprężeń jako głównych źródeł uszkodzeń; wczesna diagnostyka uszkodzenia oraz oszacowanie stanu jakościowego elementu; wykrywanie wad w połączeniach spawanych i materiale rodzimym elementu; Ryc. 2-4. Rejestratory: TSC-3M-12 oraz TSC-4M-16 (ang. Tester of Stress Concentration) z czujnikiem Typ 1-8M. 30 PROBLEMY KRYMINALISTYKI 291(1) 2016
Ryc. 6, 7. Zestawienie obrazu przebiegu impulsu namagnesowania własnego, rejestrowanego magnetometrem, z odpowiadającym mu obrazem zmian struktury metalu. redukcja kosztów materialnych przy użyciu MPM w kombinacji z konwencjonalnymi metodami NDT. Niewątpliwą zaletą wykorzystania magnetycznej pamięci metalu jest to, że nie jest wymagane specjalne sztuczne namagnesowanie, ponieważ MPM to naturalne namagnesowanie, uformowane podczas wykonywania lub eksploatacji określonego wyrobu. kilkudziesięcioprocentowe zmiany amplitudy składowych pola rozproszonego (ryc. 10). 0,8 0,7 0,6 0,5 B [mt] 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 10 20 40 80 h [%] Ryc.10. Wpływ głębokości wady na pole rozproszone. Przykładowe amplitudy zmian składowych pola rozproszonego dla wad o różnej głębokości. Ryc. 8, 9. Płyty testowe z naniesionymi defektami struktury o różnej głębokości od 0,1 do 4 mm. MPM jest jedyną metodą kontroli nieniszczącej, pozwalającą w trybie szybkiej kontroli określać mikroi makrowady na powierzchni i w głębszych warstwach metalu. Defekty struktury można rejestrować z dokładnością do 1 mm stref koncentracji naprężeń (SKN). Jest to metoda na tyle czuła, że subtelne zmiany w strukturze materiału będą powodowały przynajmniej W ramach realizacji Projektu nr DOB-BIO6/21/8/2014 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju konsorcjum naukowo-przemysłowe w składzie: Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji, Politechnika Warszawska, Korporacja Wschód Sp. z o.o. oraz Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia podjęło próbę opracowania skutecznego zastosowania dotychczasowej metody diagnostycznej MPM w badaniach wykrywczych i identyfikacyjnych na potrzeby organów ścigania i wymiaru sprawiedliwości. Wytworzone w ramach projektu moduły będą zastosowane do nieinwazyjnego: PROBLEMY KRYMINALISTYKI 291(1) 2016 31
badania pól numerowych VIN (numer identyfikacyjny pojazdów) i wykrywania ingerencji w polu numerowym (ryc. 11); Źródła rycin 1. Augustyniak B., Defektoskopia magnetyczna oraz detekcja wad z wykorzystaniem efektu magnetycznego pola rozproszonego wykład. 2. http://www.mmmsystem.com. 3. Materiały własne. Bibliografia Ryc.11. Ingerencja w pole numerowe VIN pojazdu (przerobienie dwóch cyfr) ujawniona metodą magnetyczną. wykrywania zmian konstrukcyjnych pojazdów między innymi pod kątem przebudowy karoserii do celów przemytu np.: narkotyków, papierosów, alkoholu, ludzi i zwierząt (bramki na punktach granicznych); monitorowania pojazdów przed wjazdem w strefę zamkniętą pod kątem przewozu niebezpiecznych metalowych przedmiotów; badania struktury materiału (defekty mikropęknięcia, wykrycie początkowej fazy zmęczeniowej metali) w elementach konstrukcyjnych. Projekt przewiduje ponadto stworzenie baz danych zawierających magnetooptyczne obrazy pól numerowych pojazdów, maszyn roboczych, broni i obiektów technicznych. Metoda Magnetycznej Pamięci Metalu jest już obecna w diagnostyce nieniszczącej w 22 krajach świata, między innymi w Polsce. Należy jednak wspomnieć, że jak na razie nie jest ona stosowana jako samodzielna metoda w pełni wystarczająca do diagnostyki. W zależności od obszaru, w którym jest wdrażana, stosowana jest jako pierwsza metoda diagnostyczna, np. po demontażu urządzenia w badaniach wstępnych. MPM nie wymaga na ogół przygotowania powierzchni do pomiarów (piaskowania, szlifowania itp.) i jest stosunkowo szybka. Ponadto ewentualne inne badania mogą zakłócić istniejące w metalu efekty magnetyczne ( pamięć magnetyczną ) i wypaczyć uzyskane wyniki lub uniemożliwić sensowne opracowanie wyników. Jak przedstawiono powyżej anomalia magnetyczna jest źródłem cennej informacji i warto podjąć wysiłek w celu efektywniejszego dopracowania metody. Kolejnym etapem badań nad wykorzystaniem pola magnetycznego, na który należy zwrócić uwagę, jest fakt, że lokalna anomalia może być wywołana przez przyłożenie magnesu (np. magnesu neodymowego), a w tym wypadku wkraczamy już w aktywne metody magnetyczne. 1. APS536 3 Axis Flux Gate Magnetometr System Operating Manual and Technical Reference, May, 2004. 2. Augustyniak B., Podstawy fizyczne wykorzystania własności magnetosprężystych dla oceny naprężeń wewnętrznych i zewnętrznych materiałów ferromagnetycznych, I Krajowa Konferencja Podstaw Fizycznych Badań Nieniszczących, Gliwice 1995. 3. Augustyniak M., Krytyczny przegląd założeń metody badań nieniszczących opartej na magnetycznej pamięci metalu. Materiały Konferencji PIRE, Ustroń 2011. 4. Dubov A. A., Diagnostyka wytrzymałości oprzyrządowania i konstrukcji z wykorzystaniem magnetycznej pamięci metalu, Dozór Techniczny 2002, nr 1, s. 14-18, nr 2, s. 37-40. 5. Dubov A. A., Physical base of the method of metal magnetic memory. Proc. of Workshop on Nondestructive Testing of Materials and Structures, NTM 02, Wyd. IPPT PAN, Warszawa 2002, s. 1-9. 6. Dubov A. A., Principal features of metal magnetic memory method and inspection tools as compared to known magnetic NDT methods, WCNDT, Montreal 2004, http://www.ndt.net/ article/wcndt2004/papers/359.ntm. 7. Dubov A. A., Zapytania o fizyczne podstawy metody magnetycznej pamięci metalu. Materiały z II Międzynarodowej Konferencji pt. Diagnostyka oprzyrządowania i konstrukcji z wykorzystaniem magnetycznej pamięci metalu, Moskwa 2001. 8. ENES www.magnesy.eu (dystrybutor m.in.: magnesów neodymowych; aktualizacja 25.04.2013 r.). 9. Kawka A., Juraszek J., Doświadczenia z zastosowania metody magnetycznej pamięci metalu (MPM) do diagnostyki i oceny stanu technicznego elementów górniczych wyciągów szybowych. Materiały VI Międzynarodowej Konferencji pt. Laboratoria badawcze, systemy jakości w Unii Europejskiej laboratoria badawcze w procesie wytwarzania i eksploatacji urządzeń, Łagów 2010. 10. Kuroda Masatoshi et al., Evaluation of residual stresses and plastic deformations for iron-based 32 PROBLEMY KRYMINALISTYKI 291(1) 2016
materials by leakage magnetic flux sensors, J. Allous Compd, No 314, 2001, s. 232-239. 11. Metoda magnetycznej pamięci metalu, Dozór Techniczny 2008, nr 1, s. 17. 12. Mirosław W., Diagnozowanie zmęczenia materiału przy pomocy efektu magnetycznej pamięci metalu, ITWL, Warszawa 2009. 13. Morrish A. H., Fizyczne podstawy magnetyzmu, PWN, Warszawa 1970. 14. Neimitz A. et al., Ocena wytrzymałości, trwałości i bezpieczeństwa pracy elementów konstrukcyjnych zawierających defekty, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2008. 15. PN-ISO 24497-1 3,2009, Badania nieniszczące Magnetyczna pamięć metalu. Część 1: Słownictwo, Część 2: Wymagania ogólne, Część 3: Kontrola złącz spawanych. 16. Popovic R. S., Falangan J. A, Besse P. A., The future of magnetic sensors, Elsevier, Sensors and Actuators, A56, 1996, s. 39 55. 17. Ren J., Song K., Wu G., Lin J., Mechanism study of metal magnetic memory testing. 10th Asia- -Pacific Conference on Non-Destructive Testing 17-21 September 2001, Brisbane, www.ndt.net/ article/apcndt01/papers/1194/1194.html. 18. Roskosz M., Wykorzystanie własnego magnetycznego pola rozproszenia w diagnostyce elementów ferromagnetycznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014. 19. Tumański S., Czujniki pola magnetycznego stan obecny i kierunki rozwoju, Przegląd elektrotechniczny 2004. 20. Vlasov V. T., Dubov A. A., Physical bases of the metal magnetic memory method, ZAO Tisso Publishing House, Moskwa 2004. 21. Wei-Chang Z., Magnetization of ferromagnetic materials in geomagnetic field by mechanical strain. Principle of metal magnetic memory testing and diagnostic technique. 10th Asia- -Pacific Conference on Non-Destructive Testing 17-21 September 2001, Brisbane, www.ndt.net/ article/apcndt01/papers/1194/4443.html. 22. Własow W. T., Dubow A. A., Fizyczne podstawy metody magnetycznej pamięci metalu, Wyd. Energodiagnostyka, Warszawa 2008. 23. Yaegashi K., Dependence of Magnetic Susceptibility on Dislocation Density in Tensile Deformed Iron and Mn-steel, ISIJ Int (Iron Steel Inst Jpn) 2007, nr 47, s. 327-332. 24. Yuan Liang Z. et al., The State of the Art. Surveys for Application of Metal Magnetic Memory Testing in Remanufacturing. Advanced Material Research, Vol. 301-303(2011), s. 366-372. Projekt nr DOB-BIO6/21/8/2014 pt. Pasywne i aktywne metody magnetyczne jako podstawa nowej metodyki badań związanych z wykrywaniem, zwalczaniem i neutralizacją zagrożeń terrorystycznych oraz przestępczości zorganizowanej finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach konkursu nr 6/2014 na rzecz bezpieczeństwa i obronności państwa. PROBLEMY KRYMINALISTYKI 291(1) 2016 33