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
zastoso-wanie zyskuje bezkontaktowa diagnostyka (defek-toskopia) 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 wła-snego magnetycznego pola rozproszenia elementu. Do zjawisk fizycznych, leżących u podstaw tej metody, należą:
– efekt magnetosprężysty;
– efekt rozproszenia zewnętrznych pól magne-tycznych spowodowany nieciągłością lub struk-turalnymi niejednorodnościami materiału (od obciążeń);
– procesy wzajemnego oddziaływania pól ma-gnetycznych z dyslokacjami i ich kumulacją (tworzenie się i umiejscowienia granic domen magnetycznych na ściankach dyslokacji w stre-fach koncentracji naprężeń).
Nieniszcząca metoda kontroli oparta jest zatem na rejestracji i analizie rozkładu własnych magnetycznych pól rozproszonych (WMPR), powstających w wyro-bach 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 dziedzicz-ność 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 kry-stalizacją w magnetycznym polu Ziemi, formuje się jego tekstura magnetyczna. Niejednorodność struktu-ry kstruktu-rystalicznej materiałów powoduje, iż w miejscach największej koncentracji defektów siatki krystalicznej (np. skupiska dyslokacji) i niejednorodności struktu-ry, 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 natural-ne namagnatural-nesowanie, które pojawia się w postaci magnetycznej pamięci metalu podczas faktycznych
odkształceń, czego następstwem jest zachodzenie zmian strukturalnych w metalu.
Zasada działania przyrządów rejestrujących oparta jest na zapisie impulsów prądu w cewce czujnika ma-gnetyczno-modulacyjnego w czasie jego przemiesz-czania w polu magnetycznym rozproszonym nad badanym elementem. Mierzona wielkość to lokalne pole magnetyczne (metoda pasywna).
Ryc. 1. Głowica z układem trzech sond w płaszczyznach
(x, y, z).
Podstawą metody jest użycie odpowiedniego czuj-nika, który proporcjonalnie przetworzy wartość wek-tora pola magnetycznego na proporcjonalny sygnał indukcji magnetycznej. Indukcja pola magnetycznego w powietrzu lub w próżni jest ściśle powiązana z natę-żeniem tego pola zależnością:
B = µr µo H, gdzie:
B – indukcja magnetyczna [T];
µr – przenikalność magnetyczna względem materiału; µo – przenikalność magnetyczna w próżni
– 12,57·10-7 [H/m];
H – natężenie pola magnetycznego [A/m].
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: Hn – linia Hn=0 oraz jej gradient (intensywność zmiany): dHn/dx (Ryc. 5).
Coraz częściej wykorzystuje się również wartości składowej stycznej pola magnetycznego Hs.
Ryc. 5.
Korzyści, wynikające z diagnostyki z zastosowania MPM, to przede wszystkim:
– ujawnienie stref koncentracji naprężeń jako głównych źródeł uszkodzeń;
– wczesna diagnostyka uszkodzenia oraz oszaco-wanie stanu jakościowego elementu;
– wykrywanie wad w połączeniach spawanych i materiale rodzimym elementu;
– redukcja kosztów materialnych przy użyciu MPM w kombinacji z konwencjonalnymi metodami NDT.
Niewątpliwą zaletą wykorzystania magnetycznej pamięci metalu jest to, że nie jest wymagane spe-cjalne sztuczne namagnesowanie, ponieważ MPM to naturalne namagnesowanie, uformowane podczas wykonywania lub eksploatacji określonego wyrobu.
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 mikro- i makrowady na powierzchni i w głębszych warstwach metalu.
Defekty struktury można rejestrować z dokład-nością do 1 mm stref koncentracji naprężeń (SKN). Jest to metoda na tyle czuła, że subtelne zmiany w strukturze materiału będą powodowały przynajmniej
kilkudziesięcioprocentowe zmiany amplitudy składo-wych pola rozproszonego (ryc. 10).
Ryc.10. Wpływ głębokości wady na pole rozproszone.
Przykładowe amplitudy zmian składowych pola rozproszonego dla wad o różnej głębokości. W ramach realizacji Projektu nr DOB-BIO6/21/8/2014 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju konsorcjum naukowo-przemysłowe w skła-dzie: Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji, Politechnika Warszawska, Korporacja Wschód Sp. z o.o. oraz Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia podjęło próbę opracowania skutecznego zastoso-wania dotychczasowej metody diagnostycznej MPM w badaniach wykrywczych i identyfikacyjnych na potrzeby organów ścigania i wymiaru sprawiedliwości. Wytworzone w ramach projektu moduły będą zastoso-wane do nieinwazyjnego:
Ryc. 6, 7. Zestawienie obrazu przebiegu impulsu namagnesowania własnego, rejestrowanego magnetometrem,
z odpowiadającym mu obrazem zmian struktury metalu.
B [mT] h [%] 10 20 40 80 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
– badania pól numerowych VIN (numer identyfika-cyjny pojazdów) i wykrywania ingerencji w polu numerowym (ryc. 11);
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 stre-fę zamkniętą pod kątem przewozu niebezpiecz-nych metalowych przedmiotów;
– badania struktury materiału (defekty – mikropęk-nięcia, wykrycie początkowej fazy zmęczeniowej metali) w elementach konstrukcyjnych.
Projekt przewiduje ponadto stworzenie baz danych zawierających magnetooptyczne obrazy pól numero-wych pojazdów, maszyn roboczych, broni i obiektów technicznych.
Metoda Magnetycznej Pamięci Metalu jest już obec-na w diagnostyce nieniszczącej w 22 krajach świata, między innymi w Polsce. Należy jednak wspomnieć, że jak na razie nie jest ona stosowana jako samo-dzielna 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 wstęp-nych. MPM nie wymaga na ogół przygotowania po-wierzchni do pomiarów (piaskowania, szlifowania itp.) i jest stosunkowo szybka. Ponadto ewentualne inne badania mogą zakłócić istniejące w metalu efekty ma-gnetyczne („pamięć magnetyczną”) i wypaczyć uzy-skane wyniki lub uniemożliwić sensowne opracowanie wyników.
Jak przedstawiono powyżej anomalia magnetyczna jest źródłem cennej informacji i warto podjąć wysi-łek 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.
Źródła rycin
1. Augustyniak B., Defektoskopia magnetyczna oraz detekcja wad z wykorzystaniem efektu ma-gnetycznego pola rozproszonego – wykład. 2. http://www.mmmsystem.com.
3. Materiały własne. Bibliografia
1. APS536 3 Axis Flux Gate Magnetometr System – Operating Manual and Technical Reference, May, 2004.
2. Augustyniak B., Podstawy fizyczne wykorzysta-nia własności magnetosprężystych dla oceny naprężeń wewnętrznych i zewnętrznych mate-riałów ferromagnetycznych, I Krajowa Konferen-cja Podstaw Fizycznych Badań Nieniszczących, Gliwice 1995.
3. Augustyniak M., Krytyczny przegląd założeń metody badań nieniszczących opartej na „ma-gnetycznej pamięci metalu”. Materiały Konferen-cji PIRE, Ustroń 2011.
4. Dubov A. A., Diagnostyka wytrzymałości oprzy-rządowania i konstrukcji z wykorzystaniem ma-gnetycznej 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 Structu-res, NTM’02, Wyd. IPPT PAN, Warszawa 2002, s. 1-9.
6. Dubov A. A., Principal features of metal ma-gnetic 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 me-tody 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 zasto-sowania metody magnetycznej pamięci metalu (MPM) do diagnostyki i oceny stanu techniczne-go 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
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 mate-riału 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 konstruk-cyjnych zawierających defekty, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2008. 15. PN-ISO 24497-1÷3,2009, Badania nieniszczące
– Magnetyczna pamięć metalu. Część 1: Słow-nictwo, 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
ma-gnetycznego pola rozproszenia w diagnostyce elementów ferromagnetycznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2014.
19. Tumański S., Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju, „Przegląd elek-trotechniczny” 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 Suscepti-bility 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. Su-rveys 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 wykrywa-niem, zwalczaniem i neutralizacją zagrożeń terro-rystycznych oraz przestępczości zorganizowanej” finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach konkursu nr 6/2014 na rzecz bezpieczeństwa i obronności państwa.
