INTRODUCCIÓN

En su sentido más amplio metalografía es la rama de la ciencia que estudia la estructura de los metales y aleaciones y las relaciona con las propiedades físicas, mecánicas y químicas. Más específicamente la metalografía trata de la constitución y estructura de los metales y aleaciones tal como se revela a simple vista o con ayuda de lupa, microscopios ópticos, electrónicos, difracción de rayos X y otras técnicas posibles.

En vista de lo anterior se comprende que la metalografía es tanto un arte como una

ciencia, pues la interpretación de las estructuras requiere el dominio del arte que yace en las técnicas usadas para preparar una muestra—extracción, corte, montaje, desbaste, pulido y ataque—y fotografía.

Las primeras noticias sobre la practica metalográfica, se remonta Hooke (1665),

quien escribió sobre micrografía y miró con una lupa, la punta de una aguja y el filo de una barbera (e hizo dibujos,). Newton (1672), estudió las superficies de las fracturas. Reaumer (1722), usando lupa observó el tamaño de grano de los metales. Gilbett (1600), había descubierto que el hierro pierde el magnetismo al calentarse y en 1781, Bergman propuso la idea de alotropía en el hierro. En 1841 Anassoff estudio las figuras del acero de Damasco bajo el microscopio desarrollando los reactivos de ataque. J.R. Von Fuchs (1851) examinó las casas de clivaje del hierro y decidió que era cúbico.

Pero la primera aplicación sistemática del microscopio, a estudio de la estructura de

los metales fue hecha por H.C. Sorby en 1864. Como petrógrafo aplicó sus métodos al acero puliendo, atacando y preparando dibujos. Sus primeras fotos las hizo con un aumento de nueve; este trabajo no se publicó hasta 1887, cuando usó mayores aumentos. Descubrió la perlita (denominada así por Howe). En los aceros hipoeutectoides observó la estructura ferritica de Widmanstatten similar a la que Aloys Von Widmanstatten había visto en el meteorito de Afram en 1808.

Los trabajos realizados por Sorby en Sheffiield despertaron poco interés en

Inglaterra, pero en 1868 D. Tchernoff estudió la disposición microscópica de los cristales en el interior de los lingotes de acero y la relacionó con la dureza. Diez años después A. Martens en Alemania acometió el estudio de la microscopia metalográfica, incluyendo fracturas, método de pulido, ataque y microestructura interior. Su primera comunicación demostraba la relación existente entre la estructura metalográfica y las propiedades mecánicas de los metales.

En 1887 Osmond inició un estudio sistemático de las estructuras metalográficas y

un componente descubierto por Sorby los denominó rnartensita en honor a Martens. Luego Howe, Sauveur y otros en los Estados Unidos; Heyn, Ledeb, Hanemann, Roozeboom, Tammer, Oberhoffer, Bauer, etc., en Alema Stead, Robert-.A Arnoid y Rozenhain entre otros en Inglaterra; Charpy, Le Chatelier, Portevin, Guillaume, Guillet, Chevenard y otros en Francia Perrovano y F. Giolitti en Italia desarrollaron la metalografía encaminándola hacia el estado de avance en que se encuentra hoy.

La invención posterior de Herramientas como el microscopio de emisión de campo iónico, el microscopio electrónico, el microscopio de emisión de campo electrónica. La microsonda electrónica y la microsonda atómica han llevado al arte metalográfico hasta confines científicos insospechados.

En resumen, en este contexto la metalografía actual cubre dos aspectos

fundamentales: el arte de preparar las muestras para el examen usando los distintos tipos de herramientas y equipos y la interpretación de las estructuras observadas para relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas y procesos de fabricación. En estas nociones iniciales solo se considerará el primer aspecto, es decir; las técnicas de preparación y observación.

Como se ha anotado en general el análisis metalográfico requiere la preparación de

la muestra, para lo cual se deben seguir los siguientes pasos:

1. Selección, extracción y corte. 2. Desbaste. 3. Montaje. 4. Esmerilado. 5. Pulimiento grueso. 6. Pulimiento final. 7. Ataque. 8. Observación al microscopio. 9. Micrografía.

A continuación se analizarán cada una de estas etapas.

1. SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA

La selección de muestra representativa para el examen es de importancia fundamental. Con frecuencia los muestras se cortan de piezas más grandes y por ello se debe considerar el lugar de donde se tomen, la forma de extraerlas, o las precauciones a seguir y las condiciones y estado del metal. Para manejar las muestras mejor, es deseable que el tamaño sea entre 6 a 5rnm de diámetro para redondos y de lado para secciones cuadradas.

La gran variedad de casos posibles no permite establecer una norma general sobre el

lugar donde debe tomarse la probeta, pero debe tenerse en cuenta que esto es importante. Cuando se trata de una pieza rota en servicio, primero se examina la fractura y se toma luego una muestra de un lugar cercano a la fractura y otra a alguna distancia para compararla.

En general es deseable examinar dos secciones, una longitudinal; es decir hacia la

dimensión mayor de la pieza metálica, donde son mayores las deformaciones de los granos y están alineadas las inclusiones; y una transversal, en la dirección de la dimensión menor donde son menores las deformaciones y sin alineamiento de inclusiones.

En resumen deben tenerse las mayores precauciones tanto en la elección del lugar

donde se tome la muestra, como en la forma de orientar la cara; que se fuere a examinar. La manera como se seccione la muestra var1 según el material, se pueden usar

distintos métodos: fracturas, cizallado, aserrado, corte con disco abrasivo, sierra de alambre, descarga eléctrica, etc.

En muestro medio los métodos m usados son el aserrado manual y los discos

abrasivos. Para aleaciones blancas, metales livianos y aceros suaves se usa la sierra de mano. Fig. 1a. éstas se clasifican según el número de dientes por pulgada lineal. Las sierras corrientes poseen 14, 18, 14 y 32 dientes por pulgada. Si el material es blando se debe usar sierra con el menor número posible de dientes, los tubos delgados se cortan con cortadoras de tubo. Si la pieza es muy pequeña se puede usar la sierra de alambre (6 de joyero). Figura 1b.

Aunque siempre debería usarse refrigerantes para evitar el calentamiento y por tanto

la distorsión de la microestructura, en e corte con sierra manual o de banda, no es necesario refrigerar porque la velocidad es suficientemente baja paca que el calor no sea muy dañino. Con sierras mecánicas cuyas hojas son más gruesas, si debe usarse refrigerante.

Para el uso de materiales más duros el corte por sierra produce severas condiciones

de trabajo en frío y no es ventajoso. Para evitar estos inconvenientes lo mejor es el corte abrasivo.

El método más general de corte de probetas metalográficas es usando discos

abrasivos consumibles.

Figura 1. a. Sierra de mano b. Sierra de alambre (joyero).

La calidad de la superficie obtenida es superior a la que se logra por otros medios y

es más fácil la preparación posterior de la muestra. El corte a alta velocidad proporciona una superficie más basta que el de baja velocidad. Puede haber también un corte húmedo y en seco. Con el húmedo se elimina la contaminación con polvo y se evita el calentamiento de la muestra, como se anotó, el calor puede producir recristalización oxidacción o ablandamiento de la superficie y otros cambios indeseables en el estado del material. En estos casos el refrigerante más usado es aceite soluble en agua con aditivos para proteger la máquina contra la corrosión y mejorar el efecto del refrigerante.

El disco abrasivo consumible está constituido por partículas abrasivas (óxidos,

carburos, aleamientos, etc.), aglomerados con un medio adecuado, como caucho o resina. Las miles de partículas hacen contacto con el material en rápida sucesión y alta

velocidad cortando el material y al mismo tiempo perdiendo el filo en sus aristas. Por esta razón el aglutinante debe desgastarse en el grado correcto de manera que los nuevos granos, estén siempre en el borde y permanezca firmemente adheridos por el material aglutinante.

Los aglutinantes que no se desmenuzan rápidamente se llaman “duros”, los que

tienen menor retención son llamados “Blandos”, y generalmente deben usarse discos “duros” para materiales blandos y para materiales duros se deben usar discos “blandos”. Sin embargo, son muchos los factores que determinan si un disco es adecuado para cortar un material dado, tales como:

- La naturaleza del abrasivo. - El tamaño de los granos abrasivos. - La naturaleza del aglutinante. - La dureza del aglutinante. - La porosidad del disco.

El carburo de silicio se prefiere para cortar los metales no ferrosos y productos no metálicos: para los ferrosos se recomienda la alúmina (A120 Los materiales sintetizados o cerámicos se cortan con discos con borde dentado constituido por partículas de diamante y aglutinante. En este caso la velocidad es de O - l000rpm. Las cortadoras de laboratorio funcionan por “avance de corte”, es decir la pieza se mueve y el disco está fijo, figura 2b. Un avance demasiado lento puede quemar el material, pero si la pieza del disco excede su capacidad de corte, el disco se desmenuza rápidamente ó se rompe.

Figura 2: Tipos de avance de corte;

a- Avance de la pieza;

b- Movimiento de disco (3)

Normalmente la velocidad de rotación ha sido considerada cuidadosamente durante el diseño de la cortadora y está relacionada con el tipo de discos que deben usarse. En general un aglomerante será más duro a mayor velocidad. La manera como se desgaste el borde del disco es una buena guía para constatar si se ha seleccionado el disco apropiado, figura 3,. Además los fabricantes dan indicaciones sobre el tipo de disco apropiado para cada material, véase tabla 1.

a. Bordes redondeados: Disco apropiado y aplicado correctamente.

b. Bordes Cuadrados: Disco apropiado para cortar sólidos, muestras normales y tubos de espesor mediano.

c. Bordes Cóncavos: Disco apropiado para cortar tubos de espesor pequeños.

d. Bordes Puntudos: El aglomerante del disco es muy duro

e. Bordes Biselados; Esto es causado por una aplicación incorrecta del refrigerante.

f. Bordes Vitrificados: Ocurren cuando el aglomerante no se está desmenuzando apropiadamente.

Figura 3, La manera como se desgasta el borde del disco indica si el uso es el adecuado.

TABLA 1

SELECCION DE DISCOS ABRASIVOS. ( )

Oxido de aluminio, aglomerante caucho-resina

� Aceros de herramientas y cementados Rc>60

� Aceros duros Rc 50 a 60

� Aceros mediante duros Rc 35 a 50

� Aceros blandos o recocidos Rc 15-35

� Corte delicado (Disco extradelgado)

Oxido de aluminio, aglomerante caucho-resina

� Corte en seco de materiales suaves.

Carburo de Sicilio, aglomerante caucho

� Materiales no metálicos duros, vidrios,

rocas y otros.

� Metales no ferrosos medianamente duros,

uranio, titanio, zirconio, etc.,.

� Metales no ferrosos blandos, aluminio,

latón bronces, etc.,.

La manera apropiada de usar la cortadora sólo se conoce a Fondo mediante la experiencia de modo que siempre debe consultarse al técnico encargado.

Un problema frecuente es la rotura de los discos: Esto puede deberse a:

- Colocación incorrecta del disco.

- Sujeción incorrecta de la muestra.

- Maltrato en el manejo.

- Distribución insuficiente o dispareja del refrigerante.

- Disco de grado demasiado duro.

- Avance excesivo del disco.

Sobre el montaje de discos, sujeción de la muestra, cantidad de refrigerante y presión de corte del’e siempre consultarse al técnico y remitirse al catálogo del aparato para el montaje y mantenimiento.

Todo lo anterior se refiere al corte con discos consumibles en cortadoras de alta velocidad. La otra técnica es usar cortadoras de baja velocidad en un proceso desarrollado según los principios usados en la industria de las gemas. La dureza excepcional y la resistencia a la fractura que presente el diamante lo hacen ideal para el corte abrasivo. Sin embargo, en razón a su costo el diamante se usa en discos no consumibles. Las partículas de diamante industrial triturado se limpian y clasifican y se unen al borde de una rueda metálica mediante fusión, enlace vítreo o resinoso. Los discos tienen de 10 y 15 cms. de diámetro y giran a menos de l000rpm. con cargas máximas de l000grs. La técnica puede aplicarse a muchos tipos de metales y no meta Blandos, duros, frágiles, dúctiles, porosos, de configuraciones simples o complejas, compuestos, etc...

La superficie resultante está generalmente libre de deterioro y distorsión y queda lista para el examen microscópico con una mínima preparación posterior.

El maquinado con descarga eléctrica o electroerosionado usa la chispa de un arco eléctrico para remover material de una muestra conductora sumida en un dieléctrico. (Petróleo o aceite de transformador). La pieza es el ánodo y la herramienta erosionada forma un arco removiendo el material como diminutos cráteres. Obviamente el uso de este tipo de aparato requiere un control preciso.

2. DESBASTE

El objeto del desbaste es remover la deformación producida durante el corte y proporcionar la superficie plana inicial necesaria para los pasos siguientes de esmerilado y pulido. Otro propósito es remover grandes cantidades de material superficial para el macroataque. El desbaste puede efectuarse con limas, piedras de esmeril o carborundum y papeles de esmeril. Comúnmente el desbaste grueso se lleva a cabo en una desbastadora de cinta como la de la figura 4. También se usan discos giratorios recubiertos con papeles abrasivos. El tamaño de partícula varia entre mal la 50 y 180.

Para no alterar la estructura superficial del metal, sobre todo si está tratado térmicamente, la probeta se refrigera con agua impidiendo el sobrecalentamiento. El agua sirve también para lavar los productos removidos de la superficie evitando que la cinta abrasiva se embote.

La cinta abrasiva, si está hecha de carburo ó de aluminio con aglomerante de resma, se puede usar en seco o en húmedo. Si el aglomerante es de tipo colas (como es l caso del granate), la cinta sólo puede usarse en seco.

La acción abrasiva es muy agresiva con esta granulometría, por esta razón no se debe aplicar la probeta contra el medio abrasivo con demasiada presión, porque esto produce rayas profundas, difíciles de eliminar después, y distorsión intensa en el metal superficial. Este metal distorsionado puede extenderse hasta profundidades grandes. La profundidad varía con el metal o aleación, de modo aproximado es inversamente proporcional a la dureza. Está distorsión es inevitable pero se puede minimizar en esta etapa y se elimina durante el pulido posterior.

Lo primero que se hace al iniciar el desbaste es biselar las aristas de la muestra a fin de eliminar los ángulos que podrían llegar a provocar la rotura del papel abrasivo o del paño durante el pulimiento. Por esta razón es pre1 que -las probetas sean redondas o al menos que no tengan ángulos y cantos vivos.

Sin embargo, el biselado no se puede realizar cuando interesa precisamente el material inmediato a esos bordes como en el caso de piezas cementadas, cianuradas, mitruradas o recubiertas electroliticamente. Para proteger el borde es conveniente usar montajes como los que se muestran en la figura 5. o aplicando un recubrimiento electrolítico de cobre y montando la muestra como se discutirá posteriormente.

Figura 4. Desbastador de cinta.

Figura 5. Prensas para facilitar la preparación de piezas pequeñas.

Cuando la superficie de la muestra está completamente plana y se han eliminado las irregularidades se da por terminado el desbaste. Debe tenerse en cuenta sin embargo, que una superficie lisa y brillante no necesariamente tiene la menor cantidad de deformación. Una apariencia engañosamente mejorada se puede deber al restregamiento de la superficie con partículas abrasivas que no corten limpiamente, si la cinta esta gastada o embotada se produce en realidad más distorsión superficial.

El terminar el desbaste la probeta y las manos deben lavarse con agua corriente para evitar el transporte de partículas del abrasivo o el metal hasta el medio de pulimiento posterior.

3 MONTAJE DE LA MUESTRA

Las probetas metalográficas se montan en materiales adecuados. En primer lugar para manipularlas más fácilmente si son muy pequeñas, y en segundo lugar para proteger y preservar los bordes durante el pulido tal como se anotó en la sección anterior. Antiguamente se usaban para este propósito materiales de bajo punto de fusión como azufre, lacre y aleaciones como la de Wood (50% Bi, 25%Pb, 12,5% Sn, 12.5% Cd), pero en la actualidad se usa el moldeo por compresión en el cual la probeta se embebe en un cilindro de plástico, figura 6. El montaje estándar es de 25mm, (1”), 32mm. (1.25”) o

38mm. (1.5”) de diámetro con una altura igual a la mitad del diámetro. El montaje de alambres, tubos, láminas y polvos puede requerir cuidados especiales. Los materiales que se usan en el moldeo por compresión son plásticos termoendurecibles como la bakelita, el ftalato de dialilo, la resina y la lucita los termoplásticos son los transópticos como el metacrileto de metilo, poliestireno, polivinil formal, polivinil cloruro. Los materiales termoendurecibles requieren calor y presión durante el ciclo de moldeo y se pueden desmoldar a la temperatura máxima. Los termoplásticos permanecen fluidos a la temperatura máxima de moldeo y se hacen densos y transparentes al aumentar la presión y disminuir la temperatura. Figura 7.

Figura 6. Muestras montadas en baquelita.

Figura 7. Comportamiento de materiales de montaje

a. Termoestables

b. Termoplásticos.

Las variables en el moldeo por compresión son la presión, el tiempo y la temperatura de moldeo. Para controlar esto se usan prensas de laboratorio provistas de gato hidráulico y resistencia calentadora. Para su uso debe consultarse el técnico o seguir las instrucciones del catálogo del fabricante. Las variables mostradas en el figura 7 se controlan con base en la característica de la prensa 1 moldeo. En la tabla II se Indican las condiciones de moldeo para cada plástico.

TABLA II

Condiciones de moldeo para los materiales de montaje

TERMOENDURACIBLES

Resma Temperatura Presión Tiempo

(C) (F) (m)

Bakclita 135 - 170 17 – 24 5 - 12

Ftalato de dialilo 140 - 160 17 – 21 6 - 12

TERMOPLASTICOS

Resma Temperatura (C)

Presión (M)

Tiempo (minu)

Metacrileto de metilo

140 – 165 17 – 24 6

Poliestireno 140 - 165 17 5

Polivinil Formal

220 27 ...

P.V.C. 120 - 160 0,7 0

A continuación se presentan algunos problemas típicos en el moldeo por compresión.

Materiales termoestables. Hendiduras radiales: La sección es demasiado grande para el área del molde. Probeta con ángulos. Use un molde de mayor tamaño. Redúzcase el tamaño de la Probeta y los ángulos agudos. Concentración en el borde: Adhesión pobre del plástico por excesiva contracción. Use menor temperatura de moldeo, enfríese el molde antes de retirar la probeta. Grietas circunferenciales: El material ha absorbido humedad o la reacción ha liberado gases. Calientes previamente el polvo. Disminúyase la presión antes de que empiece el curado. Protuberancias y rotura de superficie: Período de curado muy corto o falta de presión. Dése más tiempo o aplique más presión.

Falta de fusión: Falta de presión o tiempo Insuficiente a la temperatura de curado. Curado de partículas antes de flujo. Úsese tiempo y presión adecuadas. Aplíquese la presión rápidamente al iniciar el montaje. Endurecimiento de la superficie y ampollas: Temperatura excesiva del molde. Disminuya la presión momentáneamente antes de que empiece el curado. Materiales termoplásticos. Aspecto de tiota de algodón: El material en polvo no alcanzó la máxima temperatura. Auméntese el tiempo de mantenimiento a temperatura máxima.

Agrietamiento: Tensiones residuales liberadas al retirar el bloque. Enfríese en la prensa antes de retirarse. Introdúzcase el bloque en agua en ebullición para aliviar tensiones.

Los métodos de montaje en plásticos descritos hasta aquí, y según se ve en la tabla

II, sólo son aceptables para materiales que no se vean afectadas por temperaturas hasta de 200°C y las presiones de 21 MPa. Si la probeta es muy delicada se puede usar el montaje en frío para el cual se usan resinas moldeables. Los tipos más corrientes son: epoxicos, poliesteres y acrílicos. Se pueden usar diversas formas de molde, pero en general los utilizados son cilíndricos normales. Los materiales moldeables en general están constituidos por la resma y el endurecedor. Dado que durante la polimerización ocurre una reacción exotérmica, la resina y el endurecedor deben medirse cuidadosamente y mezclarse por completo o no ocurrirá endurecimiento. En la figura 8, se comparan las características de las distintas familias. a. Dureza b. Calor liberado c. Contracción d. Tiempo de curado Figura 8. Características de plástico para montaje en frío.

De la figura 8 se ve que los acrílicos curan rápido (en unos30 minutos) pero tienen baja dureza y no retienen bien las aristas. Los poliésteres requieren más tiempo de curado pero son más duros. Los epóxicos se contraen mucho menos pero requieren largos tiempos de curado.

Para los moldes se pueden usar vidrios, bakelitas, aluminio o capas de caucho

silicona. Al molde se le aplica un agente desmoldeante. Tal como aceite de silicona o grasa de vacío. Si el molde es de caucho silicona no necesita desmolderse. El montaje se hace como se muestra en la figura 9. Figura 9. Montaje en frío.

A continuación se señalan los principales problemas que se presentan en el montaje en frío:

Acrílicos Burbujas: agitación muy violenta al mezclar resma y endurecedor. Mezclese más cuidadosamente o remueva el aire con vacío. Poliésteres

Agrietamiento: Relación incorrecta entre resina y el endurecedor. Corríjase la relación.

Decoloración: Se ha oxidado la resina. Relación incorrecta resina /endurecedor Manténgase el recipiente herméticamente cerrado, corrija la relación resina / endurecedor. Montaje blando: Relación incorrecta. Mezcla incompleta Corríjase la relación y hágase la mezcla completa. Extremos pegajosos: La misma causa que en el caso anterior. El mismo remedio. Epóxicos Grietas: Relación incorrecta. Temperatura muy alta por reacción enfríese con chorro de aire y corríjase la relación resina / endurecedor. Burbujas: Agitación muy violenta durante la mezcla. Mézclese con suavidad o remuévase el aire con vacío. Decoloración: El endurecedor se ha oxidado. Relación incorrecta. Manténgase los recipientes herméticos. Corríjase la relación resina / endurecedor. Montaje blando: Relación incorrecta. Mezcla incompleta corríjase la relación y mézclese completamente.

De todo lo descrito se comprende que el uso de la prensa de montaje y los plásticos para montaje en caliente o en frío debe hacerse de modo cuidadoso siguiendo las instrucciones del técnico o las indicaciones que dan los fabricantes.

Después del montaje, las probetas se marcan con un grabador vibratorio y se

almacenan en un disecador si no se continúa el pulido seguidamente.

4. ESMERILADO O DESBASTE FINO

El desbaste fino esta estrechamente relacionado con el corte y el desbaste, su objeto es eliminar y limitar, mediante la elección y el orden de uso correctos de los abrasivos la zona de deformación creada en las etapas mencionadas. Este proceso se puede realizar a mano o automáticamente, en el proceso manual la superficie plana obtenida en el desbaste, se raspa sobre la superficie de trabajo de un papel abrasivo que se apoya sobre una superficie plana y lisa. La superficie de trabajo se lava con un líquido, en el caso del esmerilado en húmedo. Los abrasivos usados son carburos de silicio, diamante y óxido de aluminio (esmeril). Como se anotó, en general se usan abrasivos del tipo fijo, es decir; los granos abrasivos están pegados a un papel o una tela. El anterior pegante puede ser cola, resina o resina sobre cola. El carburo de silicio y el óxido de aluminio se consiguen ya como papel que no resiste al agua pegado con cola o resma y se usa para desbaste en seco; o como papel o tela y resistente al agua con pegante resinoso para operación húmeda o seca. Los papeles de esmeril sólo se fabrican con cola como adhesivo.

Se da preferencia a la operación en húmedo porque las superficies de trabajo se pueden enjuagar continuamente con agua para evitar que la superficie se embote con lo que se desprende de la probeta.

Durante la extracción y el desbaste se produce una deformación total como se ve en

la figura 10. El desbaste fino extrae esta deformación. Figura 10. Efecto del desbaste ( ) Sin embargo a medida que se extrae esta deformación gruesa por acción del desbaste fino, se formará una capa de menor deformación, que se extraerá posteriormente.

Así a medida que se remueve la capa de deformación más reciente, se formará otra menos producida por el abrasivo más fino. El esmerilado debe continuar en abrasivos progresivamente más finos, generalmente se usan desde un tamaño de malla 240 siguiendo con 320,400 y por último grado 600, el que debe asegurar que toda la deformación restante pueda extraerse durante el pulimento grueso. El ciclo descrito se expresa en la figura 11. Figura 11. Efecto del desbaste fino. Dl deformación total del desbaste, el paso A lo elimina pero crea D2 el cual es removido por el paso B, que a su vez crea D3 este es removido en el paso C, y queda una deformación D4.

En la figura 12, se indican los tipos y tamaños de los abrasivos más comunes para el desbaste fino. Como se indicó, los de tipo fijo (abrasivos con respaldo de papel o tela), son más adecuados. Figura 12. Tamaño de abrasivos para el desbaste fino (esmerilado) Los abrasivos se clasifican según el tamaño de grano (malla) o el tamaño en micras. Los más gruesos se designan por la malla y los más finos de tamaño 1000 se clasifican por el tamaño en micras. Estas relaciones se muestran en la figura 13.

El carburo de silicio cuando se usa húmedo tiene una tasa de remoción doble que el

esmeril y ocasiona una deformación menos profunda. Mohs 9.5 El carburo de silicio es un abrasivo o sintético. El esmeril es natural y contiene 55% a 75% A1203 el resto es óxido de hierro, Mohs 8.0. Figura 13. Relación entre malla y tamaño en micras.

La alúmina (A1203) es sintético. Anteriormente se usaba mucho el carburo de boro B4C.

En el proceso manual de desbaste fino la muestra se sostiene firmemente con los

dedos. El movimiento es en línea recta sobre la superficie abrasiva hacia o desde el operario, figura 14. Cuando se adquiere destreza se puede usar el movimiento en las dos direcciones. Figura 14. Movimiento de la mano en el desbaste fino.

Para evitar se le formen planos angulares los dedos y las articulaciones deben estar rígidas.

Cada vez que se cambie el papel se deben lavar la probeta y los dedos para eliminar

los detritus y la dirección de pulido se gire 90o a fin de obtener rayas perpendiculares a las anteriores. Figura 15.

Figura 15. Dirección de esmerilado en cada paso.

Sólo la experiencia indicará cuando se ha terminado el desbaste fino. En general cuando la observación visual demuestre que sólo existen rayas producidas por el último papel empleado y se han eliminado totalmente las exteriores, la probeta puede pasar a pulimento; en la figura 16, se muestran las profundidades promedio de las rayas de desbaste y esmerilado.

Figura 16. Relación entre tamaño de abrasivo y profundidad de rayado. El desbaste fino también puede hacerse mecánicamente, usando papeles adheridos a un disco rotatorio, discos con parafina o discos de plomo pero estos son métodos menos comunes en nuestro laboratorio.

En la figura 17. Se muestra la apariencia de las rayas producidas en el desbaste fino en el papel de carburo de silicio en proceso húmedo. Figura 17. Aspecto de las rayas producidas en el desbaste sobre papel de SiC.

a- Papel 240 b- Papel 320 c- Papel 400 d- Papel 600. 10

(Cortesía Alberto Zapata. Matalografía U. de A.) Al finalizar el desbaste fino la probeta debe lavarse cuidadosamente antes de pasar

al paño de pulido.

5. PULIMENTO GRUESO

Este paso puede considerarse el más importante en toda la secuencia de preparación, su objetivo es eliminar de las superficies las rayas finas que quedan después de la última operación de desbaste en el papel 600, y conseguir una superficie sin rayas y pulida. La calidad final de la probeta depende de la selección del abrasivo que se usa en esta etapa de pulimento grueso. La naturaleza del tipo de abrasivo empleado debe permitir una clasificación precisa de tamaños y la separación de en fracciones de tamaño uniforme de partícula.

En el pulido grueso el polvo abrasivo se suspende en un líquido y con esta

suspensión se impregna un paño. El tipo de paño y abrasivo dependen del material a pulirse y obviamente de las posibilidades económicas del laboratorio pues se puede usar desde paño ordinario de billar hasta tejidos fabricados especialmente. Así mismo se puede emplear desde óxido de hierro (rojo joyero), hasta polvo de diamante. Las casas comerciales ofrecen una alta gama de productos bien clasificados.

Los paños de pulido suelen ir sujetos a unos discos que pueden girar o no pero

también pueden ir, sencillamente, apoyados sobre un vidrio grueso (6mm), plano y limpio. En general se usan discos giratorios, que son de bronce o aluminio y se cubren con

el paño apropiado. Los discos giran en un plano horizontal movido por un motor individual. El motor debe tener la potencia suficiente para funcionar con seguridad y firmeza bajo la presión que necesariamente se ha de aplicar a la muestra, no sólo cuando se trate de altas velocidades (unos l000 rpm), sino en especial cuando se trabajen muestras de metales blandos a velocidades bajas (por ejemplo 400 rpm o menos)

Como se muestra en la figura 18, normalmente los discos giran en sentido contrario a las manecillas del reloj; la probeta se mueve en el sentido del reloj. Esto se hace así para evitar:

- Los trazos direccionales. - Las colas de corneta o sea la dispersión de cierto tipo de inclusiones. - El arranque de ciertas fases que están poco consolidadas dentro de la

microestructura. Figura 18. Sentido de giro del disco y de la probeta durante el pulido.

Está manipulación también proporciona una remoción sobre toda la superficie. Para efectuar este pulido se dispone de máquinas automáticas giratorias o

vibraciones. Según su objetivo, durante el pulido grueso la extracción debe ocurrir de modo que

aumente el pulido de la superficie. Idealmente esto debería ocurrir según 1a disminución gradual que se muestre en la fig. 19. Sin embargo, al llegar al pulimento grueso ocurre una gran caída en el grado de extracción como lo indica la línea continua de la fig. 19. Para que el gráfico sea ideal deben usarse pastas de diamante.

Figura 19. Grado de extracción durante las diversas preparación. solubles en aceite. De este modo se logra una dispersión uniforme de las partículas. El material en forma de pasta permite impregnar el paño mucho mejor. Las partículas de diamante retienen su forma tamaño durante la abrasión y producen una tasa uniforme y elevada de remoción con un mi de distorsión superficial. Estas tasas de remoción pueden ser superiores a las que se dan durante el desbaste fino. Figuras 20 y 21. Figura 20. Tasa de remoción vs presión sobre la muestra. Figura 21. Tasa de pulimento vs tamaño de partícula del abrasivo.

Aunque Pasta de diamante es la ideal, su costo hace que sólo pueda usarse en casos especiales, por esta razón debe en general seleccionarse otro abrasivo: Los más comunes son el carburo de silicio sintético y la alúminina gamma (Y). Este tipo de alúmina existe como placas finas y, delgadas, cuando se calcina a 1200°C, pasa a la forma alfa, este no sirve como pulimento a menos que el tamaño de sus partículas sea muy pequeño. Esto es un problema porque para sustituir la pasta de diamante con un grado de extracción equivalente, los granos tendrían que ser mayores.

En general debe seleccionarse un abrasivo suficientemente grueso para realizar esta

etapa en un tiempo mínimo. El tamaño de partícula e general varia entre O y 10 micrones. La clasificación de 6 micrones (intervalos de 4 8), producirá las tasas de remoción más elevadas para la mayoría de los materiales. Debe esperar una caída aguda e la tasa de remoción para los tamaños más pequeños (submicrones) en las mi circunstancias, figura 21.

En la figura 22 se representa el estado de la superficie al comienzo del pulimento grueso. “A” indica la profundidad total de deformación Figura 22. Estado de la superficie al comienzo del pulido grueso. que debe eliminarse para poner al descubierto la microestructura real. “B” indica la raíz de una raya producida durante el desbaste fino por un grano abrasivo. “C” representa la capa de deformación más grave, y “D” señala el límite de un estrato de deformación menor. La deformación causada por la raya se proyecta casi hasta la profundidad A.

Durante el pulimento grueso la probeta debe estar contra el paño el tiempo suficiente para extraer toda la deformación abrasiva, la probeta se mueve continuamente desde el centro hacia el borde del disco. Si es necesario, se añade de vez en cuando suspensión del abrasivo (0.l5gr/cm3 agua). Si hay abrasivo pero se seca el paño, se añade agua destilada sin humedecer demasiado pues se retarda la acción pulidora.

Los paños son un factor importante si se quieren evitar planos o relieves. En esta

etapa debe usarse paño sin pelo, tal como nylon, algodón o seda. Deben ser de este tipo para evitar que el pelo golpee creando relieves y efectos secundarios.

Al final del pulido grueso debe haberse extraído la zona de deformación menor (figura 22), y el estado de la superficie puede representarse como lo indica la figura 23, en la cual se muestra una raya de superficie, poco profunda. En el siguiente paso, el pulido final, la línea horizontal de puntos A, que representa la superficie, debe estar por debajo de la raíz de las rayas. Sin embargo, si las técnicas no son adecuadas y eficientes y según el material, aparecerían restos de esas rayas (representada por A’). Tales rayas pueden haber sido introducidas por la presencia de partículas extrañas en el paño, excesiva presión en el pulido, o ser rayas demasiado profundas producidas en el desbaste. En este último caso, hay que volver a repetir el desbaste poniendo más cuidado. Figura 23. Estado de la superficie al final del pulido grueso (ve figura 22)

En todo caso la preparación de los abrasivos, su aplicación y el uso de la máquina pulidora debe hacerse con suma discreción y siguiendo estrictamente las indicaciones del técnico.

6. PULIMENTO FINAL

Como se estableció previamente, la etapa de pulido final sirve para remover cualquier zona de deformación resultante del pulido grueso, idealmente debería producirse una superficie pulida uniformemente y libre de rayas. Sin embargo, en la práctica no se busca una superficie completamente libre de rayas sino, que las rayas no deben detectarse bajo las condiciones particulares del examen. El logro de esto dependerá, por consiguiente, del material de la probeta (más difícil con materiales blandos), las condiciones de ataque más difícil con reactivos de ataque sensibles a las estructuras deformadas), y las condiciones ópticas del examen.

Hay que tener en cuenta que si no se remueve toda la deformación superficial, las

rayas serán visibles, sin atacar la muestra. Lo mismo será más acentuado si los pasos previos no fueron realizados a cabalidad. Lo mismo ocurrirá después del ataque. Esto significa que la superficie deformada no se removió completamente, figura 24. Figura 24. Aparición de una raya después del ataque si el pulido no fue completo.

a- Raya original. b- Superficie pulida c- Superficie atacada.

El ataque del reactivo será más pronunciado y preferencial en las regiones de

deformación localizadas que poseen mayores niveles de energía superficial. En general, los procesos de pulido final de buena calidad son más laboriosos y requieran operarios más hábiles. Para cada paso puede escoger la más adecuada. 6.1 PULIDO MECANICO

A menos que sea necesario preservar las inclusiones, el pulido mecánico se realiza en la pulidora mecánica usando un paño de pelo largo, como el terciopelo; el paño de billar para ferrosos; o paño de pelo de camello o gamuza para metales blandos y aleaciones livianas. Son muy populares los paños especiales fabricados por distintas compañías como el Microcloth, el Lecloth (que es un satín de algodón tratado de modo particular).

Desafortunadamente en estos paños, las fibras son compresibles y tienden a adaptarse a la superficie de la muestra bajo la más mínima presión. Debido a este tipo de contacto las fases o granos más blandos con cierta orientación tienen una tasa de remoción más elevada que las fases o granos más duros con orientación diferente. Estos efectos se pueden evitar o minimizar seleccionando un abrasivo que acorte el tiempo de proceso. Para el pulido final se usa una variedad de abrasivos como los óxidos de Al, Cr, Mg, Ce, Si, y diamante.

Los materiales ferrosos, las super aleaciones y las basadas de cobre, titenio y zirconio son compatibles con los abrasivos de alumina. Se prefiere alúmina gamma de 0.05 micras. Para las fundiciones con grafito libre y los materiales ferrosos que contengan inclusiones complejas o abundantes es aconsejable una suspensión de óxido de cromo o

mezclas de óxido de cromo y cerio. Para los metales y aleaciones ligeras es recomendable el óxido de magnesio. Los óxidos de cerio, las suspensiones de Si0 y el diamante son abrasivos más especiales.

Para los óxidos se usa agua destilada como vehículo, para el diamante se usa aceite.

La humedad del paño es muy importante durante el pulido final.

Concluido el pulido (cuando a l00X no se ven rayas), se lava la probeta con agua para eliminar la alumínina adherida, y se le pasa un trozo de algodón embebido en agua jabonosa para eliminar la grasa; se lava de nuevo con agua y luego se vierte alcohol en la cara pulida y se agita hasta secar bien, se puede secar también con un algodón embebido en éter o con un secador de aire caliente.

La superficie pulida no debe secarse ni tocarse con telas, papeles y objetos extraños, que pueden rayarle. Tampoco se debe tocar con los dedos, pues marcaría en ella las impresiones de la piel, lo cual origina imágenes erróneas y hace irregular el ataque de los reactivos.

Antes de atacar es necesario observar la nuestra al microscopio para verificar el pulimento, la limpieza y examinar algunas particularidades del material. En este estado so visibles los poros, grietas, esocrias, grafito, inclusiones etc.

La probeta se puede atacar enseguida o se almacena en un desecador para uso posterior.

Al concluir el trabajo debe lavarse a fondo el paño con agua destilada y luego taparlo para evitar el polvo y las partículas del ambiente.

También puede usarse el pulido vibratorio, automático y otros sistemas como se ve en las figuras 25 y 26 Figura 25. Pulidora Vibratoria. Figura 26. Pulidora Semiautomática.

Después de la última etapa de pulido se puede emplear un proceso de ataques químicos leves alternados, cada uno de ellos se sigue de un repulimiento cuidadoso, removiendo parcial o totalmente el ataque precedente.

El proceso puede realizar con tres o cinco ciclos de pulimento— ataque, lo que favorece la remoción de algunas pequeñas protuberancias provenientes del pulido y aumenta el contraste de fases, realzando los bordes de grano. Esto debe hacerse con cuidado pues si se aplican muchos ciclos se pueden agudizar las tendencias del efecto de relieve debido al ataque selectivo de áreas deformadas localizadas o al ataque selectivo de ciertas fases u orientaciones de grano.

Puede darse pulido y ataque simultáneo cuando se incorpora un reactivo químico a la mezcla abrasiva, esto se hace con el fin de aumentar la velocidad o disminuir el tiempo de pulido. Es un proceso especial para metales nobles y refractarios. Para el titanio por ejemplo, se usa alumínina y una solución al 5% de ácido oxálico. 6.2 PULIDO ELECTROLITICO

El pulido de los metales blandos y sus aleaciones es difícil p la facilidad de crear distorsiones y rayas, esto fue resuelto por Jacquet y Rocquet en 1935, cuando propusieron el empleo del pulido electrolítico.

El método general consiste en que la muestra se hace ánodo colocándola en una solución adecuada y aplicando una determinada fuerza electromotriz con una cierta densidad de corriente. Actualmente se han encontrado electrólitos adecuados para pulir con todos los metales y aleaciones, véase la norma ASTM E

La muestra se coloca como ánodo a una distancia de 1 a 2 cms paralela a la superficie de un cátodo de platino, acero inoxidable o cobre (según el caso) dentro de un electrólito que disuelve los óxidos del metal. Figura 26. Figura 27. Esquema del circuito de pulido electrolítico.

A, amperímetro, V. voltímetro, R. Reostato, F. f.e.m. An. ánodo, Ca. cátodo, B. bomba, E. electrólito.

Aplicando correctamente la fuerza electromotriz la superficie irregular será nivelada

y pulida por disociación de los iones metálicos, principalmente n los puntos elevados.

En el proceso influyen diversos factores, tales como temperatura, concentración, flujo de electrólito y otros. Al final la superficie es lisa y brillante. Según el proceso el metal puede ser atacado, pulido, completa o parcialmente pasivado.

Durante la electrólisis, los iones metálicos pasan a la solución, formando película coloidal compleja de productos de corrosión, que, a pesar de ser muy delgada, posee una resistencia eléctrica razonable. Figura 28. Figura 28. Disolución anódica durante el p electrolítico.

Según la teoría más generalizada la película anódica controla la tasa a la cual los productos de disolución se pueden difundir desde el ánodo. Como hay una diferencia en el gradiante de concentración (es decir en una depresión existe un gradiante de concentración mayor)) Fig. 29, ocurre una disolución preferencial. La resistencia

Figura 29. Mecanismo de pulido electrolítico. eléctrica en el pico A, figura 29, representada por la distancia A-B será mayor que en la depresión C, representada por la distancia D-C, porque la película es más delgada en A-B. La corriente en A será mayor que en C, haciendo que el metal se disuelva más rápido en A

que en C, produciendo así u nivelación al remover las asperezas de 1mm o más. La difusión iónica y molecular a través de la capa A, donde es más rápida, así como las diferencias en los fenómenos de polarización anódica en A y C, también pueden contribuir a la acción pulidora.

Pero debe haber otro factor presente en el proceso electrolítico responsable del “abrillantamiento” que se produce por la eliminación de irregularidades tan pequeñas como 0.0lmm, y por la supresión del ataque sobre la superficie metálica. Este comportamiento se atribuye a la formación de algún tipo de capa entre la película anódica y la superficie, véase figura 28. Se cree que esta capa sigue al contorno de la superficie y es atacada uniformemente por el electrólito. El paso de los iones a través de la capa anódica debe ocurrir a la misma tasa en todos los puntos, para mantener esta capa y producir el abrillantamiento.

La existencia de tal capa puede explicar la diferencia entre las condiciones de ataque y pulido. El ataque ocurre cuando el electrólito tiene libre acceso a la superficie, es decir si no existe la capa anódica.

Las relaciones voltaje-corriente varían con los diferentes electrólitos y metales. Cuando ocurre pulido sobre un intervalo extenso y continuo se da una relación simple como la mostrada en la figura 30. Para voltajes bajos la película anódica no existe o es inestable, entonces ocurre ataque, pero no pulido. Figura 30. Relación E-I en soluciones de alta resistencia.

A voltajes mayores sucede el pulido. Los electrólicos de ácido perclórico (HC1O usado para el aluminio siguen esta relación; figura 30.*

Sin embargo la curva potencial-intensidad, o curva de polarización, es en general más compleja cuando se aplica un potencial, externo. Ejemplo cuando se pule cobre, (Figura 31) con ácido ortofosfórico. Figura 31 Curva de polarización para el cobre.

En este caso se distinguen cinco regiones en al curva. En la región A-B, la densidad de corriente aumenta con el potencial, calcio del metal se disuelve y la superficie tiene una apariencia atacada. La región B-C, refleja una condición inestable, mientras que la región C-D, indica un estado estable donde la película formada alcanza el equilibrio y sucede el pulido, con una densidad de corriente constante.

El pulido óptimo ocurre sobre C-D cerca de 0. En la región 0-E se forman burbujas de gas, que rompen la capa anódica y causan picado. El pulido con rápida liberación de gases ocurre en E--F. Para un pulido electrolítico ideal es importante

- Control riguroso para minimizar el calentamiento del electrólito y la probeta.

- Logro máxima resistencia en la película anódica. - Operación a densidad de corriente mínima.

Para lograr esto se tienen varios tipos de aparatos, en la figura 32, se muestra una celda

de pulido común. Figura 32. Fuente y tanque de una pulidora electrolítica.

Constituida por una fuente de alimento, donde se controla el tiempo, la corriente y el voltaje y la celda de pulido. El aparato sirve para pulir y atacar electrolíticamente. Debe usarse con sumo cuidado siguiendo las instrucciones del técnico. La selección de los parámetros adecuados y del electrólito correcto debe hacerse teniendo todas las precauciones que señalen los catálogos pues hay serios peligros en el uso inadecuado de este proceso.

7. ATAQUE

Aunque se puede obtener alguna información de una probeta en estado pulido, la microestructura en general sólo es visible después de un ataque; es decir, después de un proceso que revele los detalles estructurales. Solamente las características que exhiben una diferencia de 10%, ó más en reflectividad se pueden observar sin ataque. Esto solamente se da con las grietas, poros, picados e inclusiones no metálicas.

En general, una probeta pulida no muestra su mi porque la luz se refleja uniformemente, es por ello que se debe producir contraste por medio del ataque. Pero esto se puede lograr con métodos diversos, no necesariamente los electroquímicos, que son los más conocidos. Los métodos de ataque pueden ser químicos, electrolíticos, ópticos y mecánicos y según alteren la superficie o no se llaman destructivos o no destructivos. 7.1. METODOS NO DESTRUÇTIVOS DE ATAQUE

Estos métodos incluyen el ataque óptico y el desarrollo de contraste mediante capas de interferencia, pero sólo se detallarán en la sección 8. Cuando se estudie la microscopia óptica. Entre estas técnicas están el ataque É basado en el principio de Kohler, la iluminación ‘de campo-oscuro, la luz polarizada, el contraste de fases, el contraste de interferencia diferencial y el contraste por capas de interferencia. 7.2 METODOS DESTRUCTIVOS DE ATAQUE

7.2.1 ATAQUE QUIMICO

Es la técnica más antigua y más común para producir contraste microestructural. En

esta técnica el reactivo de ataque reacciona con la muestra sin el uso de una corriente externa.

Los reactivos más comunes son soluciones ácidas o básicas diluidas en agua o alcohol; también se usan sales fundidas o vapores. Los métodos y reactivos pueden consultarse en la norma ASTM E.407.

El ataque químico se da en realidad, mediante un proceso electroquímico de oxidación-reducción que se presenta en la superficie de la muestra. El incremento en contraste depende de las diferencias en la reactividad química (o potencial electroquímico), que presenten los distintos constituyentes de una estructura de una misma matriz metálica. En este proceso la superficie se destruye selectivamente, por la formación de celdas locales con microánodos y microcátodos, los ánodos se disuelven más rápido. Las diferencias de potencial se dan sobre todo por la diversidad en la composición química, pero también se dan por diferencias en el estado físico (tensiones), el material deformado es anódico; o por diferencia de orientación en los planos de los granos Todo esto produce distintas velocidades inherentes de disolución; es por ello que los límites de grano que son regiones con distinta actividad química, deformación local y orientación, sean de los lugares que se atacan más rápidamente.

Sin embargo, es el conocimiento y la experiencia los que permiten identificar las diferentes características que se revelen en un material dado. Las condiciones del ataque; es decir el reactivo, la temperatura y el tiempo son típicos de cada material. Existen miles de soluciones de ataque. Antes de atacar, la probeta debe estar desengrasada y limpia. El ataque puede ser por imersión o por impregnación con un algodón saturado de reactivo.

En el ataque por imersión se introduce la probeta, con la superficie hacia abajo dentro del reactivo, sujetándola con los dedos o con unas pinzas.

Para desalojar las burbujas de aire retenido y renovar el reactivo de contacto, la probeta se agita suavemente sin rayana contra el fondo del recipiente que contiene el reactivo (en vidrio de reloj o un beaker) El ataque se manifiesta por que la superficie se pone mate y es la práctica la que determina cuando debe suspenderse la imersión.

Después del tiempo suficiente de ataque la probeta se lava con agua corriente para detener el ataque, se limpia con alcohol y se seca con un algodón o con un chorro de aire calidad como el proporcionado por un secador de pelo-. Si se usa algodón impregnado, la técnica es la misma.

En el ataque por precipitación (o deposición), el contraste se origina por capas formadas simultáneamente con la disolución del material. El material que se disuelve reacciona con ciertos componentes del reactivo de ataque formando compuestos insolubles que manchen o coloreen de diferente manera a las distintas fases presentes. Un ejemplo de esto es el picrato alcalino caliente que colorea al carbure de hierro. El reactivo de Stead (l00ml alcohol, 20m1 H2O, 1m1 HC1, 4g MgCl2 lg CuCl2) deposita cobre en las áreas de bajo contenido de fósforo en la superficie del acero o fundición. 7.2.2 ATAQUE POR CALOR

Esta técnica se basa en la evaporación diferencial de las distintas fases que constituyen una elección o de las regiones de los límites de grano. Para ello la muestra se debe calentar en una atmósfera rigurosamente controlada a una temperatura precisa.

Por otro lado el teñido por el calor se fundamenta en la formación de películas de óxido cuándo la muestra se calienta en una atmósfera oxidante a temperaturas relativamente bajas. Los diferentes constituyentes tienen distintas características de oxidación según la atmósfera y temperatura. E1 espesor y composición de la capa de óxido es diferente sobre cada fase distintos colores. Esta interferencia permite diferenciar fases y granos. Algo de esto se mencionará posteriormente cuando se trate la metalografía en color. 7.2.3 ATAQUE ELECTROLITICO

En el ataque electrolítico, se aplica un potencial eléctrico a la muestra usando un circuito externo, con el mismo arreglo que se mostró en la figura 26, para el pulido electrolítico. El reactivo es el mismo que para el pulido pero e voltaje y la corriente son menores.

Durante el ataque electrolítico, los iones positivos del metal abandonan la superficie y se difunden en el electrólito; en el material permanece un número equivalente de electrones. Esto da como resultado un ataque directo que corresponde al segmento AB de la curva en la figura 31, donde la corriente se aumenta proporcional mente con el voltaje. Cualquier punto de operación dentro de este tramo sirve para efectuar el ataque.

Aunque en esta etapa no se forman capas de precipitado, los iones de metal reaccionan con iones no metálicos del electrólito formando compuestos insolubles cuyo espesor depende de la composición y orientación de las características microestructurales, véase figura 33 para otro tipo de celda de ataque in situ. 7.2.4 ATAQUE POTENCIOSTATICO

Esta es una forma avanzada de ataque electrolítico donde se produce contraste en condiciones altamente controladas, usando un potencial constante. El espécimen es el ánodo y su potencial se mide contra el electrólito por medio de un electrodo de referencia, figura 34, y se mantiene un potencial de solución definido. El método produce contraste por las diferentes tasas de disolución y la deposición de películas de interferencia. Figura 33 Celda-electrolítica para ataque in situ.

Hay una serie de reactivos para ataque potenciostático que desarrollan colores diferentes en los microconstituyentes de diferentes materiales. Figura 34 montaje para ataque potenciostático. 7.2.5 ATAQUE MAGNETICO

En este método se usa el magnetismo para revelar características especificas de la microestructura de materia es total o parcialmente magnéticos. El principal uso es para los dominios magnéticos mediante el uso de suspensiones coloidales o de partículas magnéticas. Además se puede usar esta técnica para revelar condiciones ferromagnéticas tal cono la distribución de martensita inducida por deformación en la matriz para-magnética de austenita en acero inoxidable. 7.2.6 ATAQUE FISICO

Los principales métodos son el ataque iónico y el ataque térmico.

En el ataque jónico o ataque catódico al vacío, se produce contraste estructural al removerse selectivamente los átomos de la superficie. Esto se logra usando iones de argón acelerados con voltajes de hasta 10Kv. El ataque térmico se usa para materiales cerámicos y se basa en que los átomos abandonan la superficie a temperaturas elevadas. Figura 34 Montaje para ataque potenciostático.

8. MICROSCOPIO QPTICO.

Hasta aquí se han detallado los métodos para preparar las probetas para el examen microscopio óptico (de luz). A pesar del desarrollo de la microscopia electrónica y otros instrumentos a más complejos el microscopio óptico se sigue usando en conjunción con estas herramientas y en la mayoría de los trabajos rutinarios sigue siendo suficiente e indispensable. Cuando la muestra se observa sin ataque se debe empezar con pequeños aumentos (50-100X), del mismo modo debería hacerse con las muestras atacadas, incrementando gradualmente los aumentos para estimar las características básicas de la microestructura.

Como se anotó antes las probetas sin atacar se deben observar siempre con el fin de detectar características tales como:

- Condiciones de la superficie, que debe estar exenta de manchas o “artefactos” y con un grado satisfactorio de pulimento. - Inclusiones no metálicas y sus dimensiones localización y coloración. - Discontinuidades, como microporosidades y microcavidades, incluso las provenientes del desprendimiento de inclusiones no metálicas que son muy friables. — Incrustaciones o residuos de escoria y refractarios - Dobleces o defectos superficiales originados en los procesos de conformación mecánica, o defectos de los procesos de soldadura calentamiento y otros. - Fenómenos de corrosión y posibles residuos y depósitos generados por ellos. - Relieves desarrollados por microconstituyentes de durezas muy diferentes. - Aspectos físicos de los bordes y eventualmente superficie de fracturas. - Variación de tonalidad en áreas de metales coloreados, debido a heterogenidad química. - Óxidos metálicos globulares y compuestos componentes de las aleaciones. — Observaciones comparativas entre periferia, zona intermedia y núcleo de la muestra, los cuales pueden proporcionar informaciones interesantes.

La observación se debe empezar con bajos aumentos porque una micrografía a 2000 aumentos no necesariamente informa más que una a 5 aumentos. Es mas, hay aspectos generales muy importantes-que se pierden al buscar solo el detalle. El examen debe ser completo. Observando sucesivamente a simple vista, en macrografía por esta razón en la sección 12 se tratará lo referente a macrografía.

En cuanto a los detalles que se pueden observar con la probeta pulida son tantos, que su estudio se tratará in e en la parte dos de estas notas, cuando se entre a correlacionar la microestructura con la historia y las propiedades de los materiales. Por ahora es necesario primero conocer las potencialidades del microscopio como herramienta de la cual el metalurgista debe saber sacar el máximo rendimiento.

El operador debe conocer los principios ópticos generales del funcionamiento y para un aparato particular debe seguir las instrucciones de la casa constructora o el técnico familiarizado con él debido a la naturaleza de los metales, estos son opacos aún las secciones muy delgadas. La luz transmitida (sistema usado en ciencias biológicas) se uti1iza para estudiar minerales y po1ímeros los cuales pueden observar con luz reflejada.

El microscopio metalúrgico difiere de otros microscopios principalmente en que se

le diseña especialmente para observación de muestras opacas con el mayor poder posible de resolución y aumento.

Un microscopio óptico es un sistema centrado de lentes que tiene por finalidad dar imágenes de tamaño mayor que los objetos. Esta constituido básicamente por un sistema de iluminación, un ocular, un objetivo, y una platina para colocar la muestra; sin embargo los microscopios ópticos varían considerablemente en costo y capacidades. Los microscopios metalográficos iniciales eran directos, es decir , el plano a observar se coloca mirando hacia arriba, sobre la platina, figura 35 pero luego se desarrolló el sistema ideado por Le Chatelier, o invertido en el cual la muestra se coloca bocaabajo (invertida), sobre la platina, figura 36. Cada configuración de estas tiene sus ventajas, pero en la actualidad el más usado es el invertido.

En la figura 37 se esquemátiza principio del micróscopio, señalando las partes principales, las cuales se presentarán a continuación con algún detalle. Figura 37. Trayectoria de la luz en un microscopio metalográfico. 8.1 EL OBJETIVO

Se decía que los tres elementos esenciales del micróscopio metalúrgico son el iluminador, el objetivo y el ocular. De estos sin duda el objetivo es el componente m importante pues da la imagen primaria de la microestructura.

El objetivo de un micróscopio metalográfico consta de varias lentes convexas de distancia focal corta, se coloca cerca de objeto y debe estar corregido para trabajar sobre muestras descubiertas, y capaz de proporcionar una imagen real invertida y aumentada de] objeto Como se ve en la figura 38, el aumento producido es de representación, no es angular. Figura 38. Función del objetivo.

Debido a una serie de defectos son inherentes a los lentes, existen diferentes tipos de objetivos, que se pueden dividir en acromáticos semiapocromáticos, apocromáticos y monocromáticos, según el grado como estén corregidas las aberraciones de los lentes. 8.1.1 ABERRACION CROMÁTICA

Los errores cromáticos ocurren debido a la utilización de una fuente de luz blanca (que contiene todas las frecuencias).

El índice de refracción de los materiales es función de la longitud de onda de la luz (λ). La refracción del azul es más fuerte que la del rojo, esto se denomina dispersión de los colores. Así hay un plano focal diferente para cada color y la nitidez no se encuentra ni en un punto ni en un plano, esto se llama aberración cromítica Longitudinal.

Además las distintas imágenes no tienen igual tamaño esta es la denominada

aberración cromática lateral.

Los ópticos logran corregir los enfoques de dos o tres colores; azul, verde y rojo. Como se ve en la figura 39. Los objetivos con corrección de dos colores se llaman acromáticos, por tanto no son adecuados para fotomicroscopio en color. Los colores intermedios aparecen en ciertas condiciones, lo que se conoce como espectro secundario El Dr. Abbe en Jena logró eliminar el espectro secundario y reducir los demás defectos desarrollando los objetivos apocromáticos.

Los objetivos semiapocromáticos o de fluorita son intermedios entre los anteriores a. Lente sin corregir. Los tres colores en. distintos puntos. b. Lenta acromática. Verde rojo en el mismo punto. c. Lente apocromática. Tres colores en un punto. Figura 39. Corrección de la aberración cromática 8.1.2 ABERRACION ESFERICA

Este error inevitable en un lente sencillo se debe a que éste es incapaz de representar un punto, como un punto, ya que los rayos de los bordes del lente tienen mayor refracción que los de cerca del eje, figura 40. Por esta razón, los rayos marginales originan una imagen que se forma más cerca de la cara de salida que la que forman los rayos más centrales; debido a esto, un punto se ve como un disco con repartición irregular de la intensidad.

Es obvio que la aberración esférica se agrava por el hecho de que la luz no es monocromítica y se asocia con la aberración cromática formando una serie de imágenes coloreadas. Esto le restaría nitidez a la imagen general si no se corrigen como se ve en la figura 40. 8.1.3 ASTIGMATISMO

Es otro error geométrico de los lentes muy molesto en la fotografía, pero que puede ser reducido utilizando lentes acromáticos planos. En este caso las líneas en ciertas direcciones se observan menos nítidamente que en otras produciendo distorsiones en la periferia de la imagen observada.

Los objetivos planos tienen corrección extensiva para la planicidad del campo, que reduce las tensiones en el ojo, por eso se encuentran en los buenos microscopios. 8.1.4 CARACTERISTICAS DE LOS LENTES

Los objetivos tienen una serie de propiedades que resultan al combinar los lentes que los forman. Esto se puede estudiar en cualquier libro de óptica, pero se resumen aquí por su importancia. Figura 40. Corrección de la aberración esférica.

Los que más importan son: Apertura numérica, poder de reso1ución, aumentos y profundidad de campo.

- Apertura Numérica. El lente objetivo recoge tanta luz como sea posible del espécimen y la combina para producir la imagen. La apertura numérica (N.A.), es una medida de la habilidad para recoger la luz se define como:

N.A. = n sen α

Donde n es el índice mínimo de refracción del material que se encuentra entre el

lente y la muestra (aire o aceite). El ángulo o es el mayor que puede formar un rayo con el eje óptico para que todavía lo recoja el objetivo. La habilidad para colectar la luz aumenta con α. La resolución de los detalles más finos depende de la cantidad de luz que penetra en el objetivo o sea del ángulo del cono luminoso; también depende de el índice de refracción a través del cual pasan los rayos que, forman las imágenes. La importancia de la apertura numérica se hace más evidente al considerar el poder de resolución.

- Poder de Resolución. Es la capacidad de un objetivo para distinguir dos puntos

separados situados en el mismo plano. Un poder de resolución de una micra significa que aún se perciben separadas dos partículas puntiformes que se encuentren a una micra de distancia entre si. Se define como:

d= AN ⋅2

λ

En donde d es la distancia entre dos puntos que todavía se distinguen por separado,

X es la longitud de onda de la luz empleada. Esta fórmula muestra que se puede obtener mayor poder de resolución utilizando luz con pequeña longitud de onda (por ejemplo la luz ultravioleta en un objetivo monocromático) o usando objetivos con apertura numérica grande. Para incrementar la N.A. se pueden utilizar objetivos de inmersión en un medio de índice de refracción n alto, figura 41. Figura 41. Concepto de apertura.

Generalmente para aumentos de 1000 o mayores se usan objetivos de inmersión en aceite para garantizar la resolución; entre la muestra y el objetivo se coloca un poco de aceite de cedro (el cual tiene n=1.51 comparado con el del aire que es n=1.0). Los objetivos de inmersión deben limpiarse muy cuidadosamente luego de usar el aceite. - El aumento del objetivo está dado por la relación:

A = do / f

Donde do=250 mm y f distancia focal del objetivo. Generalmente, suelen tener un aumento entre 2 y 100. Los aumentos se indican con una X después del número A, es decir AX. Conocida la apertura numérica N.A. y el tipo de objetivo, es posible estimar el máximo aumento que se puede lograr sin perder resolución. Aumento máximo = 1000 x N.A. (Acromáticos) Aumento máximo = 2000 x N.A. (Apocromáticos)

El aumento total de un microscopio esta dado por la expresión: Aumento total = Aumento objetivo x aumento ocular.

En general el máximo aumento de los objetivos, aún de inmersión es 160X. Como se verá el de los aculares es máximo 25X, por tanto un micróscopio óptico puede dar un aumento máximo de 4000X, lo cual es una de las limitaciones de estos instrumentos.

Profundidad de Campo. Profundidad de foco, penetración o resolución vertical es la distancia perpendicular a la superficie observada que aparece nítida, es decir enfocada. Se entiende que si la superficie no es perfectamente plana (como en ciertas probetas sobreatacadás con fases de relieve), se requiere una mayor profundidad de campo.

En los micróscopios metalográficos la profundidad de campo es excepcionalmente pequeña y varia inversamente con la apertura numérica N.A. el objetivo. Así pues a mayores aumentos (mayor N.A.), menor es la profundidad de campo. Con objetivos de 50X o más es difícil enfocar si la muestra no está bien preparada.

Esta poca profundidad de campo es otra limitación del micróscopio óptico, por ello siempre debe recordarse que se observa una imagen bidimensional y que en realidad la estructura es tridimensional. Esto es importante en la interpretación de una microestructura. 8.2 EL OCULAR

Es un sistema que se puede comparar con una lupa o lente de aumento. Como se vé en la figura 42 se produce un aumento en el ángulo de observación lo que equivale a que el objeto se acerque al ojo. Figura 42. Aumento angular. Principio del ocular.

El ocular aumenta la imagen primaria producida por el objetivo; así el ojo puede usar toda la capacidad de resolución del objetivo. Existen diferentes tipos de oculares, el más simple es el del que es satisfactorio cuando se usa con objetivos acromáticos de poderes bajos o medianos. Para los objetivos aprocromáticos de mayor N.A. se recomiendan objetivos compensadores, es decir, corregidos para el color y la curvatura del campo, para los objetivos aún más corregidos también se deben usar oculares

compensadores, por esta razón los oculares siempre deben acoplarse con los objetivos adecuados. Generalmente se usan oculares de 10X; para obtener aumentos normales. Algunos sistemas requieren 6.3X. En ciertas situaciones son necesarios oculares de 12X, 15X, 20X o 25X. Hay oculares de medida como el tipo filar que lleva retículas en las lentes que lo componen y las cuales están montadas convenientemente. 8.3. SISTEMA ILUMINADOR La muestra a observarse debe ser iluminada adecuadamente, de otra manera las imágenes producidas pueden ser engañosas. Hay dos métodos generales de iluminación en trabajo metalográfico: La iluminación oblicua y la vertical. 8.3.1 ILUMINACION OBLICUA En este sistema la luz incide sobre la muestra desde una o varias direcciones en ángulos agudos. Como se observa en la figura 43. los rayos que inciden en la superficie se reflejan sin entrar al objetivo y por tanto una superficie plana aparece oscura. Las irregularidades si reflejan la luz en el objetivo, dando zonas o líneas brillantes sobre el fondo oscuro. Este tipo de iluminación es adecuado para superficies irregulares, tales como las superficies de las fracturas, que se observan con luz ordinaria y bajos aumentos. Figura 43 Diagrama de la iluminación oblicua. en los microscopios llamados estereos. Los estereomicróscopios tienen bajos aumentos y gran profundidad de campo permitiendo la observación de características tridimensionales, figura 44. Figura 44. Estereomicroscopio. La iluminación oblicua también puede hacerse con luz artificial enfocada sobre la superficie con una lente o con un reflector parabólico adaptado al objetivo. Hay una serie de objetivos con anillos iluminadores y equipos más complejos que mejoran la iluminación oblicua. 8.3.1 ILUMINACION VERTICAL En metalografía es más común la iluminación vertical. En este sistema un rayo de luz se dirige a lo largo del eje óptico del objetivo del microscopio hacia la muestra, esto se hace con el denominado iluminador vertical, que se verá posteriormente. El sistema total de iluminación está constituido por la fuente de luz, el condensador, los filtros, el diafragma de apertura, el diafragma de campo y el iluminador vertical. 8.3.2.1 EL FOCO LUMINOSO

En un microscopio metalográfico los rayos luminosos recorren un largo camino, razón por la cual el foco luminoso debe tener alta intensidad. Inicialmente se usaba el arco de carbono, pero en la actualidad se usan lámparas de xenón, sin embargo la intensidad de la luz solo se puede ajustar con filtros de densidad neutra. Las lámparas de halógenos y filamento de tusgteno por su intensidad se controlan variando la corriente o con filtros. Otras fuentes de luz tales como el arco de zirconio, sodio, cuarzo-yodo o vapor de mercurio son menos comunes. 8.3.2.2 CONDENSADOR La luz emitida por la lámpara es recogida por una lente condensadora ajustable libre de aberración esférica. El objeto es lograr una iluminación uniforme y de buena calidad que permite obtener el mayor provecho de la fuente de luz. Este es el principio de iluminación de Kohler al cual también contribuye los diafragmas 8.3.2.3 DIAFRAGMA DE CAMPO Esté después del condensador para minimizar los resplandores internos y reflexiones que se producen dentro del microscopio, mejorando aún el contraste de la imagen. Este diagrama se cierra de modo que coincida con los bordes del campo observado; no tiene efecto sobre la resolución, pero su efecto sobre el contraste es notable. 8.3.2.4 DIAFRAGMA DE APERTURA Aunque su ubicación puede variar, el diafragma de apretura se coloca en la trayectoria de la luz antes del iluminador vertical. Abriendo y cerrando este diafragma se altera la cantidad de luz y el éngulo del cono de luz que entra en el objetivo. La apertura optima varia con cada objetivo y es un compromiso entre el contraste de la imagen, nitidez y profundidad de campo. Si este diafragma esté muy abierto se presentan resplandores y brillos en la superficie perdiéndose contraste y poder de resolución. Cuando esté muy cerrado, la apertura numérica del sistema óptico se reduce y por tanto disminuye el poder de resolución. Este diafragma no se debe usar para reducir la intensidad de la luz, sólo se debe ajustar para controlar el contraste y la nitidez. 8.3.2.5 FILTROS DE LUZ Estos filtros se usan para modificar la luz y facilitar la observación, mejorar la fotomicrografía o alterar el contraste. Se usan filtros de densidad neutra para reducir la intensidad de la luz de una manera uniforme en todo el aspecto visible. Hay desde filtros que dejan pasar 85% de la luz hasta los que dejan trasmitir sólo el 0.01%. Se usan filtros selectivos para balancear el color de la luz y de la película, sobre todo en metalografía en color. En la fotografía blanco y negro es más común un filtro amarillo verde para mejorar la calidad de la Imagen, sobre todo si los objetivos son acromáticos; para los apocromáticos se usan filtros azules. 8.3.2.6 ILUMINADOR VERTICAL

Como se anotó la mayoría de la microscopia metalográfica se hace con iluminación vertical sobre la muestra incide el cono de luz, que es devuelta hacia el objetivo por las partes pulidas y lisas de la pro- beta; mientras que las irregularidades la desvíen, produciendo así una imagen en que los detalles son oscuros y contrastados solo un fondo brillante. Esto es lo que se llama iluminación en campo claro. Está iluminación se logra con un deposito que hace que toda la luz incida en el Objetivo y a través de este en el área de observación en la muestra. Como se ve en las figuras 45, 46 y 47, la luz procedente de la lámpara se desvía hacia el objetivo insertando sobre él un espejo o prisma jnclinado 450 respecto d eje del haz luminoso. Este es el iluminador vertical. Figura 45. Iluminador vertical con prisma reflector. En los iluminadores con prisma de reflexión, se introduce un prisma de reflexión total en la trayectoria de la luz cerca al plano focal trasero del objetivo como se ve en la figura 45. El prisma solo cubre la mitad de la sección recta del tubo de modo que la otra mitad quede disponible para la formación de la imagen por los rayos que, luego de reflejarse desde la muestra, pasan por el objetivo de nuevo. Con este reflector es posible producir imágenes de excelente contraste pero carente de buen poder de resolución, especialmente a aumentos elevados. El iluminador de prisma reduce asimétricamente la apertura eficaz del objetivo, así la apertura numérica en una dirección es la mitad, reduciendo l poder de resolución en esta dirección. A menos de 100X este efecto no es tan marcado, pero a más aumentos la perdida de resolución es intolerable. Figura 46. Iluminador vertical de vidrio plano. Obviamente en un microscopio son indispensables los altos aumentos y el poder de resolución, por eso se requieren otros métodos de iluminación. En vez de un prisma se usa una placa de vidrio plano— paralela. Como se ve en la figura 46, el vidrio está inclinado 450 con el eje óptico y debe cubrir toda la sección del tubo. Cuando el rayo de luz incide una parte pasa a través del vidrio, y una pequeña porción es reflejada hacia el objetivo y la muestra. La luz reflejada por la muestra es recogida por el objetivo, incide de nuevo en el vidrio, pero en este caso la mayoría de la luz es trasmitida y llega al ocular. Este vidrio da más brillo y reflejos que el prisma, lo que tiende a destruir el contraste de la imagen, pero este defecto se puede reducir ajustando correctamente el haz y seleccionando apropiadamente los objetivos. Es claro que solo una pequeña porción de la luz original llegó a formar imagen, pero esto esta compensado con las fuentes de luz intensa que se usan. Adema toda la apertura está disponible para formar imagen sin desmejorar el poder de resolución, por ello la imagen es mucho más perfecta que en el prisma y se usa siempre para fotografía. Hay otros sistemas de iluminadores, como el prisma de calcita, pero son menos comunes. En los reflectores de vidrio se puede mejorar el contraste si se elimina la porción central del haz de rayos. Este se hace con la iluminación de campo oscuro. En la ya mencionada iluminación de campo claro, el objetivo funciona primero como un sistema condensador del

haz y luego cómo elemento formador de imágenes a partir de la luz proveniente de la muestra. En este doble paso de la luz se pierde mucha luz sobre todo si la superficie es rugosa. En la iluminación del campo oscuro, el objetivo no tiene que funcionar como condensador y por tanto solo es atravesado una vez por la luz. Al dirigir sobre la muestra un haz luminoso que posee una zona central oscura en la posición, en que está situado el objetivo, éste no recibe la luz directa del haz sino la que se refleja en las irregularidades de la superficie, las cuales se muestran sobre un campo oscuro. Se usan objetivos de campo oscuro con los diafragmas completamente abiertos. Para las superficies muy ásperas e irregulares este método es preferible, pero es poco usual porque la mayoría de los microscopios comunes no tienen este tipo de iluminación. Figura 47. Iluminación de campo oscuro. 8.4 LA PLATINA PORTAOBJETOS Los microscopios invertidos, de uso general en nuestro medio, tienen una platina en la parte superior sobre la cual se coloca la muestra en un hueco alineado con el objetivo. La platina está munida de placas reemplazables en e} centro de las cuales hay huecos de dife rentes tamaños para sopor muestras de distintas dimensiones. La platina se desplaza verticalmente con un acople de cremallera que tiene movimiento grueso y fino y que al acercar o alejar la muestra del objetivo proporciona el enfoque adecuado. Para examinar distintas áreas de la muestra, la platina tiene micrómetros que permiten el movimiento fino en las direcciones X y Y. 8.5 EQUIPOS AUXILIARES Hay muchos equipos adicionales que se usan con el microscopio óptico para lograr información adicional. Se pueden mencionar algunos: Microdurómetros. Pantallas de proyección. Cámaras de televisión. Analizadores de imágenes. Celdas para microscopia en caliente. Cada posibilidad de estas es muy importante pero por su carácter específico no se detallan aquí. 9 TECNICAS OPTICAS ESPECIALES Actualmente el metalógrafo dispone de diversos recursos, tales como los mencionados en 8.5, los cuales combinados con las técnicas especiales de preparación dan origen a una amplia gama de posibilidades en el estudio metalográfico. Se consideran las principales: 9.1 ILUMINACION DE CAMPO CLARO

Es el método común de observación, como ya se anotó. Las irregularidades, como límites de grano, grietas, porosidades, etc., aparecen oscuras en un campo brillante. Es el sistema que se puede usar con todos los microscopios comunes. 9.2 ILUMINACION DE CAMPO OSCURO La imagen es el reverso del campo claro, aquí las irregularidades aparecen brillantes en una campo oscuro. El contraste de la imagen es muy marcado; y es posible ver características que no son visibles en campo claro. Es un método muy adecuado para estudiar estructuras de granos, pero se requiere un microscopio dotado especialmente. 9.3 LUZ POLARIZADA En metalografía la luz polarizada se utiliza principalmente para: - Obtener contrastes de granos. - Hacer estudios semicuantitativos de orientación preferente. - Discriminar cuantitativamente tres fases. Esto se hace sobre todo con metales y aleaciones difíciles de atacar tales como berilio, titanio alfa, zirconio y uranio. Antes de la existencia del analizador de microsonda electrónica (AME) y la espectroscopia de energía dispersiva (EED). La iluminación con luz polarizada era un método estándar para identificar inclusiones. Para lograr esta iluminación se coloca un polarizador que interfiera con el rayo de luz. Primero se usaban prismas de Nicol de calcita, pero en general se utilizan filtros sintéticos Polaroid que se colocan antes del objetivo. Otro polarizador actúa como analizador y se coloca después del objetivo, generalmente debajo del ocular. El polarizador divide el haz luminoso en dos, polarizados en ángulo recto uno con otro y que se propagan a distintas velocidades, el rayo más rápido escapa por los lados del prisma, aislando el más lento. Si el rayo de luz se puede extinguir completamente con dos orientaciones de un polarizador se dice que tiene polarización plana. Si hay algunas variaciones al rotar el polarizador, el haz es una mezcla de luz polarizada y sin polarizar o está polarizada elípticamente Si no hay extinción de ninguna clase el haz o no está polarizado o está polarizado circularmente. Si la luz polarizada plana incide sobre una superficie isotrópica, se refleja como luz polarizada que se extingue por completo al rotar el analizador. Sin embargo si la superficie no es isotrópica la luz reflejada queda polarizada elípticamente y el analizador no la extinguirá por completo. El iluminador vertical, se había anotado que tiene en sí mismo un efecto polarizante. Cuando el analizador se coloca “cruzado”- es decir de forma que extinga la luz reflejada por una superficie isotrópica, como vidrio,p.ej- se observarán por rotación de la muestra bajo examen cambios periódicos de la luminosidad (cuatro máximas de revolución), que son producidas por las zonas no isotrópicas, que se pueden diferenciar así de las isotrópicas que se verán oscuras. Por esta razón el mocroscopio debe poseer una platina giratoria.

En este método hay que tener en cuenta el efecto engañoso de rayos o distorsiones, por eso es mejor el pulido electrolítico. Primero se examina la muestra bajó luz polarizada plana sin analizador. Al girar la muestra las inclusiones no metálicas mostrarán cambio de color o pleocromismo. Al insertarse el analizador en posición cruzada y girarse la muestra los componentes isotrópicos darán cuatro posiciones máximas de luminosidad. Los granos con distinta orientación dan distinta luminosidad. Se pueden obtener imágenes en color usando una “lámina de tinta sensible” (de cuarzo) entre el polarizador y el analizador. 9.4 ILUMINACION CON CONTRASTE DE FASES. Una explicación completa de la óptica del contraste de fase es muy compleja, aquí solo se dará una breve discusión. En metalografía convencional el contraste está dado por los cambios en el color o la intensidad de luz reflejada. Debido a las irregularidades y ondulaciones de la muestra puede haber una diferencia de fase en las ondas de la luz reflejada aunque la imagen permanezca uniformemente brillante. Por ejemplo en la figura 48 (donde las líneas continuas, representan la luz incidente y las de trazos de la luz

reflejada), un pequeño escalón de λ8

1 produce un retardo de λ

4

1 El sistema de

iluminación por contraste de fase tienen por objeto transformar estos cambios de fase invisible y por tanto en intensidad haciéndolos visibles y fotografiables. Es por ello que este sistema se utiliza para realzar las diferencias en la superficie de la muestra. Este efecto se logra colocando una placa y un anillo especial dentro de la trayectoria Figura 48. Cambio de fase producido por: un relieve y por una porción semiopaca. de la luz. Figura 49. Figura 49. Montaje óptico para la microscopía de contrastes de fase. El anillo A se sitúa de modo que su imagen, después de reflejarse en la muestra se sitúa en el plano focal soterios del objetivo. La placa de fase P se coloca también en el plano focal posterior del objetivo en la misma posición que la imagen proyectada por el anillo A. La placade fase P tiene un anillo hecho de un material refractante (tal corno el fluoruro de magnesio), que coincide con la imagen de A, el espesor es tal que la luz que pasa a través

de él se retarda λ4

1. Cuando se superpone la Imagen del anillo A, sobre el anillo de fase,

todo el cono hueco de luz que se refleja de la muestra pasa por el anillo de fase produciéndose el cambio de fase. La luz difractada que procede del cono hueco pasa por otra zona de la placa de fase y no cambia de fase pero contribuye a la imagen. En el caso anterior, de contraste de fase positivo, las depresiones de la probeta aparecen más oscuras y las elevaciones más brillantes que el fondo o nivel normal. De este modo se hacen visibles detalles que de que de otra forma no se percibirían. En fotomicrografía en blanco y negro cuando se usa iluminación de contraste de fase se debe colocar un filtro verde para corregir ciertos defectos. 9.5 INTERFEROMETRÍA

La iluminación por interferometría produce imágenes que realzan los detalles topográficos de modo similar a la iluminación oblicua, esto permite descubrir las irregularidades superficiales y medirlas. Hay métodos por interferometría le dos haces y de haces múltiples. Este método fue iniciado por Fizeau en 1862. Las franjas de interferometría de una superficie perfectamente plana aparecen como líneas rectas, paralelas de igual ancho y espaciamiento. Las variaciones de altura en la topografía de la muestra hacen que esas franjas aparezcan curvadas o dentadas, según el sistema que se use. Las mediciones se basan en la longitud de onda de la luz usada Los interferómetros de dos haces pueden medir diferencias de altura de λ/20 y los de haces múltiples hasta de λ/250. En la figura 50, se muestra el principio del interferómetro de Linnik de dos haces. El haz de luz monocromática se divide en dos haces iguales que se separan en ángulo recto. Un haz llega a la Figura 50. Montaje óptico para interferometría de dos haces. muestra a través del objetivo y se refleja según la trayectoria SROMEBE, y el otro va ha reflejarse sobre una lámina metalizada de referencia; P, según la trayectoria SBO ’PO’ BE.

Si la diferencia de trayectoria entre los dos haces no es igual o múltiple de 2

λ ocurrirá

interferencia y se forman líneas de contorno que indicarán los

lugares de igual elevación. La diferencia de altura entre franjas adyacentes es 2

λ.

El interferómetro de haces múltiples, tipo Tolansky produce interferencia entre muchos haces de luz colocando un espejo de referencia, que es parcialmente reflector y transmisor, cerca de la superficie de la muestra, su reflectividad es similar a la de la probeta. Las reflexiones de la muestra se contrastan con las del espejo produciendo capas de interferencia más nítidas dando precisión en la medida hasta de λ/250. En la figura 51 se muestra el sistema óptico del sistema de interferencia Normarzki modificado por Wollanston. Figura 51. Contraste por interferencia Normarski Cuando la luz pasa por el prisma de cuarzo, se divide en dos haces con diferencia de trayectoriaT Cuando la luz se refleja en la muestra, la diferenciaT cambia debido a las distintas alturas de la superficie, y a las diferencias de reflectividad de las distintas fases. El cambio de la diferencia de trayectoria después de la reflexión esT0 Cuando la luz reflejada reentra el prisma, la diferencia es T2. La diferencia antes del analizador es total es:

Ttotal = T1 ± T0 ± T2

Solamente las haces can Total = (2K+1) con K pasan por el analizador. Si el prisma es simétrico con el eje del microscopio Foco luminoso T1 = T2 y la intensidad e la imagen en el campo visual es función deT0 debido a las diferencias de geometría y reflectividad. Es por eso, que las diferencias en intensidad producen efectos de relieve parecidos a la iluminación oblicua unilateral. En las referencias al final se encuentran ejemplos y fotografías que muestran el empleo de todas estas técnicas mencionadas aquí.

10. FOTOMICROGRAFIA

Muchas veces es necesario registrar lo que se ve en el microscopio, antes del desarrollo de la fotografía era necesario hacer y en la actualidad es todavía muy útil saber hacer dibujos de las microestructuras observadas.

La fotornicrografía permite estudiar detalles que no son observables a simple vista y

que en el microscopio si son visibles, pero son difíciles de analizar; es manipulable, se puede clasificar y archivar, se presta para comparar y controlar efectos de variables importantes en el trabajo metalográfico; se puede lograr gran capacidad de contraste y es de enorme valor didáctico y documental.

Una de las condiciones esenciales para lograr una buena microfoto es la preparación

correcta de la probeta. La micrografía es sólo una fiel copia de su estado superficial y, obviamente no puede ser distinta a la realidad. Con el equipo disponible actualmente se producen con facilidad micrografías de alta calidad. Esto, sin embargo, requiere no solo adecuada preparación y ataque, sino también buen conocimiento del uso del microscopio y del proceso fotográfico en sí. Es muy común la reproducción de falsas microestructuras y ha causado interferencias imprecisas, rechazo de materiales buenos y conclusiones erradas.

La fotomicrografía metalográfica no es más que un caso particular de la

rotomicrografía en general, la que a su vez es una rama de la fotografía en general. Por esta razón es necesario tener idea del proceso fotográfico.

A pesar de la introducción del proceso instantáneo Polaroid, y de la fotografía en

color (que se considera en la sección II), prevalece el uso de la fotornicrograffa en blanco y negro por la facilidad de copiado y su relativo bajo costo.

10.1 LA PELICULA El proceso fotográfico se inicia con la elección de un material sensible a la radiación a usar. En el proceso en blanco y n tradicional, primero se produce una imagen negativa la cual se usa para producir una imagen positiva sobre un papel adecuado. Hay varios formatos de películas, tales como placas, hojas de diferente tamaño o películas de 35rnm. La película para el negativo se basa en el formato disponible, sensibilidad al color, contraste, poder de resolución, velocidad, granulometría y exposición y latitud de desarrollo. Estos términos son inherentes al tema fotográfico

general y no se detallarán aquí. Algunas películas en blanco y negro no son sensibles a todo el espectro visible. Las películas ortocromáticas son sensibles a todos los colores excepto el naranja y el rojo; las películas pancromáticas son sensibles a todos los colores, aunque atenúan el amarillo y realizan el azul. El desarrollo de negativos es sencillo e incluye el uso de una solución reveladora, baño de parada, solución fijadora un 1avado en agua y el secado. Con práctica esto se hace sin problemas. 10.2 FILTROS En blanco y negro, los filtros se usan para modificar la luz y controlar el contraste de la imagen dando mayor definición y resolución. Como se anotó antes, los lentes acromáticos están corregidos para aberraciones esféricas en la región del espectro verde- amarillo para corregir los defectos del objetivo. Con lentes apocromáticos se usan filtros azules, aunque en general funcionan bien con cualquier filtro. Al utilizar el azul debe asegurarse del uso de un filtro absorsor de luz ultravioleta. El filtro mejor es el que dé un buen contraste al observarse, pero esto rio debe exagerarse. El resultado será una cantidad de zonas oscuras sin detalles. 10.3 TIEMPO DE EXPOSIC1ON Cuando las películas se expone, hay un intervalo de tiempo que producirá un negativo útil y positivable, una fotografía depende de la intensidad de la luz y del tiempo de exposición. Este depende de la iluminación y de la sensibilidad de la película (o número ASA/DIN). Una película con ASA 400 es cuatro veces más sensible que una con ASA 100, por lo tanto el tiempo de exposición será cuatro veces menor en la película ASA 400. La exposición correcta se determina más fácilmente con un exposímetro, el cual da automáticamente e tiempo según la iluminación y la sensibilidad de la película, si no se dispone de exposímetro, se hace una serie de fotos con las mismas condiciones de iluminación y diferentes tiempos de exposición. Al revelarse la serie se escoge la foto correcta y se obtiene así el tiempo óptimo. Si se conoce el tiempo de exposición to para una apertura numérica (N,A,) y un aumento Ao el tiempo t1 para otras condiciones (N, A,) y A1 es:

t1 = to( )( )

2

1

2

1

0

..

,,

oA

AX

AN

AN

Sin embargo, al cambiar la muestra, deben hacerse ensayos de nuevo, por eso es la experiencia el mejor consejo si no se tiene exposímetro. 10.4 PROBLEMAS COMUNES La obtención de una buen micrografía requiere adecuado contraste de la imagen y resolución, enfoque uniforme sobre todo el campo, iluminación pareja y profundidad de campo correcta. El foco luminoso debe estar alineado apropiadamente y el sistema debe estar libre de vibraciones. El sistema óptico debe estar muy limpio y los diafragmas de apertura y de campo deben ajustarse adecuadamente. Se debe conocer el aumento en el plano de la película. A su vez el estado en que se encuentra la superficie influye mucho en el resultado, (muestras grasosas, manchas, mal ataque). El uso incorrecto de filtros puede incidir en el contraste y la definición de detalles. Los problemas que resultan sino se tiene en cuenta lo anterios son:

- IMAGEN DESENF0CADA Por cualquier roce con la perilla de enfoque fino o por desajuste del microscopio. Las vibraciones o el uso de un objetivo que no corresponde al microscopio también causan este problema.

- IMAGEN BORROSA Sobre todo si los lentes manchados, que sucede cuando se

tocan accidentalmente.

- ILUMINACION NO UNIFORME Ocurre cuando la fuente no se encuentra centrada.

- POCO CONTRASTE Por el uso de filtros no apropiados.

- ZONAS DESENFOCADAS. Se deben a suciedad en la muestra, los lentes o la

fuente.

Los métodos de obtención de micrografía están estandarizados, la norma ASTM por ejemplo, es la norma ASTM E-870.

11. METALOGRAFIA EN COLOR

El uso del color en metalografía puede muchas veces ayudar materialmente en el

examen e interpretación de una microestructura. En los últimos 50 años se han ido haciendo mejoras constantes en la producción y procesamiento de las películas en color. Los costos de la reproducción no son ya tan prohibitivos en dinero y tiempo. Además, no siempre es necesario fotografiar en color para usar las ventajas que da la metalografía en color.

El uso de color en metalografía cae en dos categorías generales:

a- Mejora el contraste, en 1 cual un color dado en general no tiene relación intrínseca con el material (aquí el color es útil porque el ojo. puede distinguir miles de tonos de color pero relativamente pocos. grises, incluyendo el blanco y el negro), y

b- El color como un indicador de la composición, en el cual los colores específicos indican elementos o fases. La facilidad en señalar inclusiones específicas o de fases en la microestructura que lleva colores de identificación distintos no se puede comparar con la misma presentación que se ve limitada a variaciones de gris en una fotomicrografía en blanco y negro.

La metalografía en color se puede dividir en tres categorías: Métodos con deposición de películas de interferencia, métodos ópticos y la asignación arbitraria de color a las varias escalas de gris con coloreado electrónico.

Cada una de estas se discute brevemente. 11.1 DEPOSICION DE PELICULAS DE INTERFERENCIA Estos métodos se basan en fenómenos de interferencia. Como se ve en la figura 51 cuando los rayos de luz inciden sobre una superficie metálica cubierta con una película serán reflejados desde las superficies de la película y del metal. Se obtiene así un efecto de interferencia que depende de la longitud de onda (λ ) de la luz en el aire, el espesor de la película (t) y el índice de refracción de la película (n). Figura Efecto de interferencia de una película. Debe recordarse antes que los tres colores primarios son rojo, verde y azul, que al mezclarlos en distintas proporciones dan un amplio espectro de colores. Ninguno de los primarios se puede obtener mezclando los otros dos. La suma de rojo, verde y azul da blanco. Los colores intermedios son:

Ciano = azul + verde = blanco - rojo Amarillo = verde + rojo = blanco - azul Magenta = rojo + azul = blanco - verde El color que resulta al sustraer un color primario del blanco es el complemento de ese primario. Si se considera la incidencia de la luz banca sobre un sistema aire-película-metal con un espesor tal la porción verde de la luz reflejada desde el mieta1 esta fuera de fase con la luz reflejada desde la superficie, ocurrirá interferencia de la luz verde y la luz resultante será magenta, que es el complemento del verde. El magenta

aparecerá con espesores (2K + 1). n

g

4

λcon K = 0, 1, 2, ..., λg = longitud de onda del

verde en el aire. El color de la película depende de su espesor. Con la luz blanca aparece primero amarillo luego magenta y después azul. Sin embargo, sería prolijo detallar aquí los métodos para interpretar los colores de las películas de interferencia, esto se puede estudiar en la bibliografía.

Los métodos para depositar películas de interferencia son: Oxidación térmica, ataque colorante, anodizado, ataque potenciostático, deposición de vapores y pulverización catódica reactiva. Los detalles se encuestarán en las referencias. 11.2 METODOS ÓPTICOS Cuando no se tiene un rnicroanalizador de sonda electrónica, que es el instrumento usado hoy día, la luz polarizada permite usar los colores para identificar fases. Este método, en metalografía se basa en los diferentes colores producidos por la anisotropía óptica y la topo grafía de la superficie. Los metales anisotrópicos tienen una estructura no cúbica y reaccionan con la luz polarizada. Algunos metales anisotrópicos son: Berilio, magnesio, estaño, titanio, uranio, zinc y zirconio. Para examinarlos bajo luz polarizada se requiere una superficie libre de cualquier tipo de rayas. Estos metales tiene diferentes características ópticas en las distintas direcciones cristalográficas. Por consiguiente, la intensidad de la luz reflejada de un cierto grano dependerá de la orientación del grano y se obtendrá contraste. La luz polarizada se puede usar para revelar la estructura de granos, detectar la orientación preferente en materiales policristalinos, para Identificar fases y determinar deformación internas y deformación plástica. Es obvio que se requiere un microscopio que permita tomar fotos con luz polarizada, lo que no es común. El contraste de fase por interferencia diferencia) también permite revelar opticamente microestructuras en color. 11.3 ANALISIS ELECTRONICO DE Imágenes Un sistema electrónico de análisis de imágenes puede digitalizar una imagen o señal analítica en 256 niveles discretos de gris y presentar estos datos como una imagen digital. Los distintos intervalos de tonos de gris se representan con colores discretos dentro de la imagen. La habilidad de “pintar” cualquiera de los 256 niveles de gris con un color dado realza el contraste. La señal que se pinta puede ser producida por un microscopio electrónico; o en caso de microscopios ópticos, con una cámara de video la cual por medio de una interfaz alimenta un microprocesador que hace el análisis. Luego de asignar los colores se puede obtener una foto en color. En los laboratorios corrientes es posible hacer metalografía en color preparando correctamente la muestra, usando filtros adecuados y utilizando películas a color que es posible hacer procesar en un laboratorio comercial si se hacen las indicaciones pertinentes.

12 MACROGRAFIA La macrografía consiste ‘en el examen del aspecto de una pieza o muestra metálica,

siguiendo una sección debidamente pulida que puede estar atacada o no con un reactivo apropiado. El aspecto así obtenido se llama macroestructura. El término rnacroestructura comprende todas las características de las superficies metálicas, desde las que son visibles al ojo desnudo, pero que por mayor comodidad se examinan con lupa, hasta la superficie total de un lingote grande o de una pieza forjada así como todos los efectos de color, relieve o ambos, relacionados con la estructura del metal.

La palabra macrografía también se emplea para designar los exámenes

macroscópicos y los documentos que reproduzcan la macroestructura en tamaño natural o con ampliación máxima de unos 10X.

Tales técnicas se diferencian de las microscópicas sólo en os aumentos, sino

también en que se observan grandes áreas en lugar de zonas microscópicas. La finalidad del examen macroscópico es sobre todo detectar señales indicativas de mala calidad, segregación y otras imperfecciones del metal, sobre toda una sección o parte de ella

El examen de las fracturas es una rama especial llamada fractografía, aunque en este

caso se llegan a usar microscopios ópticos y electrónicos, caso en el cual ya ‘no se puede hablar de macrografía.

Los métodos de macroataque están detallados en la norma ASTM E 340 y

comprenden selección de la muestra, preparación, ataque y examen e interpretación del ataque.

12.1 SELECCION DE LA MUESTRA La muestra representativa para el macroexamen se elige según la finalidad del

examen, la forma de la pieza y el criterio del operador. A veces la pieza se puede manejar entera si su tamaño lo permite. Muchas veces se requieren secciones. Se hará corte transversal si el objetivo es verificar:

- La naturaleza del material; - Si una sección es enteramente homogénea o no; - La forma e intensidad de la segregación; - La posición, forma y dimensiones de los rechupes; - La forma y dimensiones de las dendritas; - La existencia de vacíos; - La profundidad y regularidad de capas superficiales; - La profundidad de temple; - Si un tubo es con costura o soldado; - Ciertos detalles de soldaduras de chapas; - La regularidad y profundidad de partes templadas (“chilladas) en fundiciones,

etc.. Será preferible un corte longitudinal cuando se quiere verificar, por ejemplo:

- Si una pieza es fundida, forjada o •Iaminada; - Si una pieza fue estampada o torneada; - La soldadura de barras; - Como se procesó una unión o tope; - Eventuales defectos en las proximidades de fracturas; - La extensión de tratamientos térmicos superficiales.

El aspecto de una sección longitudinal de barras con segregación depende de la manera como se corte el defecto, como se muestra en la figura 52. Por esta razón, no es prudente concluir que una barra presenta una segregación mayor que otra si apenas se conoce una sección longitudinal. Las muestras se deben cortar con Cualquier método adecuado: Las sierras y los discos abrasivos son los más efectivos. El uso de soplete o corte en caliente sólo debe usarse cuando se requiere Figura 52. Influencia del corte sobre el aspecto de la segregación. cortar una muestra de una pieza grande. En este caso la muestra se secciona bien lejos de la superficie cortada en caliente. 12.2 PREPARACION DE LA SUPERFICIE Cuando no se puede cortar se puede desbastar con lima o con lijadora mecánica teniendo las debidas precauciones para evitar calentamientos o distorsiones excesivas. Las huellas del instrumento de corte se pueden quitar con lima, desbaste mecánico o mecanizado. El pulido se hace tal como se indicó en la sección 5. La preparación no tiene que ser muy elaborada. Después de preparar la superficie, la FP4 e limpia c1 con un solvente adecuado. La grasa, el aceite u otros residuos producirán un ataque desigual. 12.3 MACROATAQUE El contacto de la muestra con el reactivo se puede hacer por inmersión de la superficie pulida en un recipiente que contiene el reactivo de ataque; extendiendo una capa de reactivo sobre la sección por medio de un pincel o un algodón impregnado; humedeciendo un papel fotográfico con el reactivo apropiado y aplicándolo directamente sobre la superficie pulida; como en el caso de la impresión de Bauman. Según la duración y el ataque puede ser lento o profundo; o rápido o superficial. Este último es el más empleado. El tiempo de ataque está influido por la temperatura del reactivo. El ataque lento puede durar horas o días. Para cada material hay reactivos adecuados (véase norma ASTM E 340), aquí se hablará sobre todo de los reactivos usados para el acero que es el material más usual.

En el acero los elementos que más fácilmente se segregan son carbono, fósforo y azufre. Los reactivos que se pueden usar para detectar segregaciones son: - Segregación de carbono:

Reactivo d Heyn Reactivo de yodo Persulfato de amonio Reactivo de Humfrey Reactivo de Rosenhain y Haughton Ácidos.

- Segregación de azufre:

Los mismos del carbono. Impresión de Bauman.

Cuando se toman fotos los mejores reactivo son el yodo (10g de yodo sublimado, 20g de yoduro de potasio y 100ml de agua) y el de Heyn (lOg de cloruro cuproamoniacal, l20ml de agua). Para revelar sulfuros el mejor método es la impresión de Bauman En este caso un papel fotográfico común de bromuro de plata, de preferencia mate se sumerge un minuto en una solución acuosa de ácido sulfúrico (1 a5%), esto se hace bajo luz natural. La hoja así preparada se retira de la solución, se deja escurrir el líquido en exceso, y se aplica sobre la superficie pulida, con las debidas precauciones para asegurar un contacto perfecto, sin arrugas ni bolsas de aire. Después de unos tres o cuatro minutos el papel se retira y se lava con agua corriente, luego se fija en un baño fijador común de hiposulfito de sodio en el que se mantiene de 10 a 15 minutos. A continuación se lava con agua corriente una inedia hora y se seca.

La imagen obtenida es la impresión de Bauman, la cual reproduce muy claramente la situación exacta de las inclusiones de azufre sobre la superficie del metal. Las regiones ricas de sulfuros dan manchas grises o casi negras. Esto ocurre porque el ácido sulfúrico reacciona con los sulfuros del acero y desprende sulfuro de hidrógeno gaseoso el cual oscurece el bromuro de plata de la emulsión del papel. El fósforo se puede detectar de un modo similar impregnando el papel con una solución de molibdato amónico acuoso (O.05g/ml) a la que se añaden 35m1 de ácido nítrico (1.2 de densidad). El contacto se hace por cinco minutos. La impresión se revela con un baño compuesto por una solución acuosa de ácido clorhídrico (al 35%), a la que se añaden dos gramos de alumbre y 5 ml de solución acuosa saturada de cloruro estannoso. Las regiones ricas en fósforo aparecerán indicadas por impresiones azules cuya intensidad dependerá del contenido de fósforo. Los óxidos se pueden revelar impregnando el papel con una solución acuosa de ácido clorhídrico (al 5%). El contacto se hace durante 2 minutos y se revela en una baño

compuesto por una solución de ferricianuro potásico (0.02gIml), durante 10 minutos. Se lava con agua 10 minutos, se fija en fijador fotográfico 10 minutos y luego se lava en agua corriente media hora y se seca. Para revelar la fibra en piezas forjadas o trabajadas por otros métodos es muy útil el reactivo de Le Chatelier-Dupuy (lg de cloruro cúprico. O.5g de ácido pícrico; l0 minutos de agua, 2m1 de ácido clorhídrico concentrado, l00ml de etanol). 12.4 EXAMEN E INTERPRETACION DE LA MACROESTRUCTURA Luego de atacar una muestra se observan diferencias de coloración por acción del reactivo, el cual establece contraste entre las áreas con estructura o composición química diferente Según la composición química se oscurecen bastante:

- Las regiones con mayor contenido de carbono; - Las regiones con más elevado tenor de fósforo; - Las regiones con mayor cantidad de inclusiones no metálicas, especialmente

sulfuros. Según la estructura:

- Las granulaciones bastas se aprecian a simple vista. - Las texturas resultantes del temple y revenido se oscurecen mucho. - Las áreas más deformadas son más atadas. - Las porosidades y grietas, visibles fácilmente.

Sin embargo, estas son indicaciones generales que el metalurgista debe usar juiciosamente en conjunción con la hi del material, tales como proceso de enfriamiento y solidificación, métodos de conformado, defectos posibles, etc. 12.5 MACROGRAFIA En el caso de las impresiones, la imagen se produce directamente en el papel. Por otro lado la fotografía de la superficie atacada requiere ciertos cuidados sobre todo en lo relacionado con la iluminación de la muestra. La imagen se forma porque las regiones más atacadas reflejan menos la luz, pues la dispersan. Al examinar la superficie atacada, existe en general un ángulo de iluminación según el cual al observador ve mejor determinado aspecto. Los ángulos de iluminación se resumen esencialmente en dos como se ve en al figura 53. En el primer caso la luz reflejada por la parte brillante se dirige el objetivo y proyecta un área blanca, en tanto que las partes oscuras, al dispersar la luz producen una imagen oscura. Si hay una inclinación mayor, los rayos reflejados por las partes brillantes no penetran en el objetivo y proyectarán una imagen negra, en tanto que la imagen correspondiente al área atacada sigue siendo oscura, pero se verá clara en contraste con las áreas negras. Es por esta razón que si no se usa la luz difusa del día (o especial), se deben hacer distintos montajes para lograr distintos efectos de iluminación.

Generalmente no se usan filtros en la cámara fotográfica sino en los reflectores. El material fotográfico para fotomicrografía es igual al empleado en micrografía. Con película ortocromática anti-halo se obtienen buenos resultados. Figura 53. Influencia del ángulo según la luz que incide sobre la muestra, sobre el espectro que presente en la fotografía.

13. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE TRANSMISIÓN

Se han descrito hasta aquí los métodos para la observación de la macroestructura y la microestructura. En esta y otras secciones siguientes se describirán técnicas para observar detalles aún m finos, lo que podría llamarse la nanoestructura (nanometro = l0-9 metros) pues la resolución en estos instrumentos puede ser del orden de los nanometros, comparado con los micrones (1µ 10-6m) de la microestructura. Las técnicas nanocópicas son la microscopía electrónica de transmisión, de barrido, de barrido transmisión, la microsonda electrónica, la espectroscopia Auger y otras que se consideraran brevemente,

Como se anotó antes, el poder de resolución d de un microscopio depende de la

longitud de onda de la luz usada, así:

αλ

sennd

61.0=

En un microscopio óptico de alta resolución, dotado de un objetivo de inmersión: λ = 0.5M, n = 1.5, sen α = 0.95, ósea que: d = 0. 2µ.

Valor que se puede considerar el límite de resolución de la microscopia óptica. La longitud de onda de la luz visible, por lo tanto, no permite observar detalles menores a algunas décimas de micrón.

Por otro lado en un microscopio electrónico de transmisión donde λ = 0.0037nm, con n = 1 y suponiendo que las lentes tuvieran aperturas muy pequeñas (sen α = α = 2 x l0-3 o sea:

nmxx

nmxd 1

1021

0037.061.03

== −

quiere decir esto que comparado con una óptico, un microscopios electrónico tiene un poder de resolución 100 veces mayor, mientras que con otras técnicas a su vez se ha llegado a resoluciones del orden de las décimas de nanometro.

El microscopio electrónico de transmisión (TEN: Transmisión electrón microscope)

se desarrolló a partir de dos fuentes La primera fue la demostración de Davidson y Germer en EE UU y Thomson y Reid en Inglaterra en 1927 de que un haz de electrones interactúa con la materia de modo que origina una honda de difracción que debe asociarse con una longitud de onda que depende de la velocidad, comprobando hazla hipótesis de De Broglie quien en 1924 había postulado que un haz de partículas aceleradas posee en ciertas condiciones naturaleza ondulatoria, siendo la longitud de onda λ inversamente proporcional a su energía. Por ejemplo un haz de electrones acelerados por un potencial de 100KV es

comparable a una radiación de λ igual a 0.0037nm. Este valor es menor que el de la luz visible y a menor que correspondiente; a los rayos X.

La segunda fuente fue el descubrimiento de Bush en 1929 de que un haz de

electrones se podía concentrar con ciertos tipos de campos magnéticos y electrostáticos de la misma manera que la luz se puede concentrar con lentes, en 1927 Bush verificó su teoría usando lentes magnéticos. E. Ruska inició estudios sobre los lentes magnéticos en 1928 y también verificó la teoría de Bush.

Los experimentos de Ruska fueron reportados en su tesis en 1929 y fueron

publicados por Ruska y Knoll en 1931. El primer microscopio electrónico fue descrito por E. Ruska y Knoll en conferencias y demostraciones en la technisc1 Ho en Berlín en 1931. Ruska y B. Von Boris trabajando con la Siemens siguieron perfeccionando este instrumento que en 1938 era ya un microscopio comercial con una resolución de l0nm. Al mismo tiempo y de modo independiente E F. Burton, A. Prebus y J. Hillier construyeron en Toronto un microscopio electrónico magnético tal como fue reportado en 1939.

Después de esto el microscopio se desarrolló vertiginosamente llegando a los

instrumentos actuales fabricados a escala comercial (Jeol, hj1ips, Siemens, AEI, Hitachi,.) que tienen una resolución de 03nm.

Sin embargo, debe recordarse que aunque hay similitudes el TEM difiere del

microscopio óptico, porque en el primer caso se requiere un conocimiento más profundo de la interacción de los electrones con la materia y por ello es más difícil la interpretación de las imágenes obtenidas en micros copia electrónica.

13.1 OPTICA ELECTRONICA. Se denomina micrografía electrónica (o nanografía) al registro de las intensidades

(cantidad de electrones) transmitidas a través se la muestra observada. Cuando el haz de electrones incide sobre una lámina delgada es más o menos absorbido, el sistema de lentes magnéticos aumenta esta distribución de intensidades y la reproduce sobre la pantalla de observación. El objetivo final es relacionar esta imagen electrónica o contraste, con la naturaleza y est de ta muestra observada. Para ello es necesario conocer los mecanismos mediante los cuales los electrones de un haz pueden ser removidos al atravesar una lámina delgada.

13.11 MOVIMIENTO DE UN ELECTRON EN UN CAMPO UNIFORME Si un haz de electrones, cada uno de masa m y carga e con velocidad y, entra en un

espacio entre dos placas paralelas separadas una distancia d y con una diferencia de potencial V entre ellas (fig. 54.) La trayectoria inicial se supone que es paralela a las placas, la fuerza ejercida por el campo E es Ee en una dirección perpendicular a la trayectoria de

los electrones. El electrón experimenta una aceleración constante a m

Eey en el tiempo t

después de entrar en el campo e habrá movido una distancia vt en la dirección paralela a las

placas y 2

1lat2 en la dirección normal. O sea que la trayectoria es parabólica y el espacio

entre las dos placas se puede imaginar

Figura 54. Trayectoria de un electrón a) en un campo electrostático uniforme b) en un campo magnético uniforme. Constituido por una serie de superficies paralelas equipotenciales cuyo efecto es desviar los electrones cada vez más en una dirección campo y por tanto normal a los equipotenciales, acelerándolos mismo tiempo en esta dirección. El movimiento en un campo magnético uniforme se puede describir de modo similar. Si un haz de electrones entra en un campo magnético de intensidad H en una dirección normal a las líneas de fuerza (fig.54 b) se ejerce una fuerza Hev, al campo y a la dirección del movimiento. Cada electrón por consiguiente describe una trayectoria circular de radio r en la cual la fuerza deflectora balancea la fuerza centrífuga:

e

mvHr

r

mvHev ===

2

O sea que un campo magnético, sin otro requisito que el de simetría de revolución alrededor de un eje, puede así focalizar un haz de electrones. 13.1.2 REFRACCION DE HACES ELECTRONICOS Considérese un electrón que entra en una serie de equipotenciales paralelos V1 y V2 (fig 55.) con un ángulo de incidencia α con la normal, que abandona V2 a un ángulo θ. La trayectoria curva entre V1 y V2 se puede suponer compuesta de dos líneas como se muestra. Al llegar a y la energía potencial eV1 = 2

221 mV Pero al cruzar el equipotencial, la

componente de la velocidad paralela a ellos permanece inalterada, de modo que V1 sen = V2 sen 0, donde.

2

1

2

1

1

2

µµ

θα ===

v

v

v

v

sen

sen

Y µ1 y µ2 pueden considerarse los índices de refracción de los espacios en cada lado de XX pues v1 y v2 son los mismos para todos los electrones y son independientes de α y θ. Figura. 55 Refracción de un haz electrónico. 13.2 EL MICROSCOPIO ELECTRONICO DE TRANSMISION En la figura 56 se esquematiza un microscopio electrónico magnético típico. Como se ve sus constituyentes fundamentales son el cañón electrónico y los lentes, los cuales se describirán brevemente.

Figura 56. Esquema deJ microscopio electrónico de transmision. 13.2.1 EL CAÑON ELECTRONICO

La fuente emisora de electrones es un filamento de tungsteno calentado al rajo blanco por medio de corriente eléctrica. El filamento está rodeado por el cilindro de Wehnelt que tiene un abertura circular de 1 a 3 mm de diámetro.

Los electrones emitidos por el filamento y prefocalizados por el cilindro de Wehnelt, son acelerados por un ánodo situado a unos pocos milímetros por debajo del cilindro. La tensión de aceleración (20-400KV), depende de la muestras 100KV es una tensión usual. Como los electrones interactúan con los átomos del aire es claro que el cañón debe estar evacuado, se necesita un vació de 10- el cual se logra con bombas de difusión 13.2.2 LENTE CONDENSADOR.

Se han usado lentes electrónicos tanto como magnéticos. Los más usados son los magnéticos como se muestra en la figura 56.

La función de lentes condensadores es concentrar un haz paralelo de electrones sobre una cierta zona de la muestra. En una lente magnética la distancia focal es proporcional a V2 e inversamente a H2 Como estos factores están por la diferencia de potencial y la corriente de la bobina, es claro que estos factores deben ser constantes, lo cual requiere circuitos especiales estabilizadores. Además es evidente, que a diferencia de los lentes ópticos, en este caso la distancia focal se puede ajustar a voluntad cambiando la tensión entre los elementos o la corriente en la bobina. 13.2.3 LENTE OBJETIVO

La lente objetivo es el componente más importante de todo el sistema óptico de un microscopio electrónico La resolución de la imagen final depende fundamentalmente de la calidad de esta lente y de la corrección de sus aberraciones.

Los lentes electrónicos están sujetos a aberraciones esférica y cromática, Esta última se debe a que las diferentes longitudes de onda, originadas en la muestra, forman imágenes a distancias diferentes del lente. La solución es emplear un haz iluminador en el cual los electrones tengan, hasta donde sea posible. la misma longitud y por tanto la misma longitud de onda. La aberración esférica, que ocurre cuando los rayos de los bordes del lente no enfocan en el mismo punto que los del centro; esto es muy marcado en los lentes magnéticos debido a la fuerte acción enfocadora en la cercanía de los bordes. Además los lentes electrónicos, sufren de astigmatismo o sea que los objetos situados de un modo enfocan en posición diferente a los objetos situados en ángulo recto. Esto se corrige con los “astigmadores”. 13.2.4 LENTE INTERMEDIO Y LENTE

La lente intermedia produce en algún plano del sistema óptico-electrónico, una segunda imagen de la muestra. La corriente de las bobinas de esta lente puede variarse mucho, controlándose de esta manera el aumento total sobre la pantalla de observación. Final mente la lente proyectora aumenta unas 100 veces la imagen producida por la lente intermedia y la proyecta sobre la pantalla fluorescente.

En un microscopio electrónico de transmisión la profundidad de campo es del orden de 400rim.

13.3 PREPARACION DE LA MUESTRA.

Las muestras adecuadas para el TEM deben tener un espesor 4e varios cientos de manómetros, según el voltaje de operación del instrumento. La muestra ideal es delgada, representativa de la muestra total, estable, limpia, plana con lados paralelos, fácilmente manipulable, conductora, libre de segregaciones superficiales y que no se desintegre bajo su peso. No siempre se puede llenar todos estos requisitos. Las dos técnicas generales uçadas han sido las réplicas y las secciones delgadas. 13.3.1 EXTRACCION DE REPLICAS.

La preparación inicial de la muestra es la misma que en microscopia óptica, aunque debe recordarse que las fases que difieren en color pero no en relieve pueden no diferenciarse satisfactoriamente en el microscopio electrónico.

La técnica de extracción por réplicas, fue descrita por primera vez por Fisher en 1954; hay varios métodos que se resumen a continuación.

Réplicas de plástico. Las réplicas directas de plástico se usan para el estudio de superficies lisas donde no son importantes los relieves. También se usan como un estudio preliminar rápido para determinar el mejor método de replicar una superficie. El plástico, collodión o formvar, se humedece con una solución de amilacetato y se aplica a la superficie de la muestra; cuando se seca, se despega, se recorta el área deseada y se fija en una rejilla de cobre que es la que se introduce en el portamuestras del microscopio.

Réplicas directas de carbono. Este método fue descrito por Bradley en 1954 y se requiere la evaporación de carbono sobre la superficie de una réplica de plásticos luego se disuelve el plástico dejando la réplica de carbono que se monta en la rejilla.

La evaporación del carbono requiere un equipo evaporador, Figura 57, el cual se usa también como se indicará más adelante. Figura 57. Diagrama de la evaporación del Metal y carbono en el evaporador.

La muestra réplica se coloca en el fondo de la campana y se hace un vacío de 10- se aplica voltaje entre donde el arco entre las dos barras de carbono lo evapore y lo deposite sobre la muestra.

Sombreado. No es fácil obtener réplicas de plástico que sean al mismo tiempo suficientemente delgadas en los puntos más delgados para dar contraste adecuado y suficientemente gruesas para manipularlas La técnica de “sombrear” el lado en relieve de la película con átomos pesados como el cromo, oro, platino-paladio (80:20) .dispersan los electrones más efectivamente que el plástico mismo—realza el contraste de la imagen. El sombreado se hace colocando el metal sombreador en una canasta hecha con alambre de tungsteno figura 57. Al aplicar voltaje entre los eléctrodos la canasta se pone al rojo blanco y el metal se evapora con un ángulo dado sobre la muestra (o réplica), este ángulo depende de la información bus cada.

Réplicas indirectas. (En dos pasos). Se usa cuando el material no se puede dañar o alterar de ningún modo cuando las variaciones de superficie son importantes. El método se ilustra en la figura 58, primero se hace una réplica de plástico (que puede ser acetato ablandado con alcohol). Después de retirar esta réplica, se lleva al evaporador y se sombrea con el metal apropiado.

Esta capa de sombreado se cubre con carbono evaporado en el evaporador, el plástico se disuelve en alcohol y la réplica de carbono se corta y se coloca en la rejilla que va en el portamuestras.

La anterior es en resumen una muy breve descripción de las técnicas para obtener réplicas, pero obviamente para conocer todos los detalles experimentales deben consultarse los textos adecuados. En la figura 59, se muestra el contraste que se obtiene con los distintos métodos. En todo caso no es aconsejable seguir fórmulas, especificaciones o rituales de una manera mecánica; en este trabajo es siempre necesario pensar en adoptar y desarrollar técnicas para cada tipo específico de trabajo. Figura 58. Método de obtener réplicas en dos pasos. Figura 59. Contraste producido por distintos tipos de réplicas. a- Réplica de plástico ideal b- Película de carbono c- Réplica de plástico sombreada. 13.4 SECCIONES DELGADAS.

Hasta la década de 1910 las réplicas eran el método principal para reproducir la topografía superficial que se quería observar, pero el desarrollo del microscopio de barrido eliminó esta necesidad. En la actualidad las réplicas que más se usan son las de extracción que conserva el número, forma y distribución de las partículas. Sin embargo, con los microscopios modernos se usan secciones delga das que permiten obtener información sobre la estructura interna.

La obtención de una sección delgada de metal implica dos etapas: La preparación inicial y el adelgazamiento final. La muestra inicial de 0.5 a 3 mm de espesor se corta c un disco abrasivo fino. Con

fresado con pulido en paño se obtienen superficies planas y paralelas. También se pueden usar soluciones químicas en montajes especiales para este fin. Generalmente se requiere un disco de 3 mm de diámetro que se corta con un sacabocado o con un barreno hueco.

El adelgazamiento final se hace por electropulido en una celda donde la muestra es el ánodo. Esto se hace incluso en pulidoras automáticas. Otro método de adelgazar es con el haz iónico. 13.5 INTERPRETACION DE LA INFORMACION

El principal valor de] microscopio electrónico es que extiende el alcance de la microscopía óptica como método para estudiar el tamaño y forma de los microconstituyentes. Las dislocaciones por ejemplo sólo se hicieron visibles en el TEM, los defectos puntuales, los precipitados, los límites de grano, las intercaras, etc.,. se observan inclusive en movimiento. La interpretación de las imágenes requiere sin embargo, up conocimiento muy profunda del material investigado y de las posibilidades de los instrumentos que se usan. 14 MICROSCOPIA ELECTROHICA DE BARRIDO

El microscopio electrónico de barrido es uno de los más versátiles instrumentos en la investigación de la micro-estructura de los materiales metálicos En los aparatos comunes la resolución es del orden de lOnm y puede llegar en ciertos casos a 2nm. Los aumentos útiles pueden llegar a 150000X, llenando el vació entre el microscopio óptico y el TEM

Comparado con el microscopio óptico, la profundidad de foco va de 1µm a 10000X a 2nm a 1OX., es mayor en los órdenes de magnitud debido a la apertura tan pequeña.

El microscopio electrónico de barrido (SEM Scanning electron microscope) ofrece posibilidades de formación de imágenes que son general mente fáciles de interpretar y revelarán fotos claras de secciones pulidas, pulidas y atacadas y también de superficies rugosas.

El SEM es muy diferente en principio y aplicación del TEM convencional y se desarrolló más recientemente. Sin embargo, la historia del SEM es casi tan vieja como la del TEM, en 1935 Knoll en Alemania sugirió la posibilidad de un instrumento como el actual y tres alias después Von Ardenne construyó un aparato que grababa micrografías de transmisión en modo de barrido. En 1942 la RCA construyó un instrumento más práctico pero por problemas en la señal de video fue abandonado.

Después de la II Guerra, Beriard y Davoine en Francia (Lyon), quienes reportaron una resolución de 2 en 1957, y Oatley y sus colaboradores en Inglaterra (Cambridge), quienes introdujeron el tubo fotomultiplicador para mejorar la calidad de la imagen, empezaron el desarrollo del SEM. A principios de la década de 1960, Stewart desarrolló el primer SEM exitoso comercialmente y ocurrieron grandes desarrollos en la URSS con Spivak y Saparin en Japón con Kimoto y Kimura que culminó con la introducción del SEM comercial con una resolución de 25nm. En la actualidad los instrumentos estándar tienen una resolución de lQnm y 1nm los de alta resolución. 14.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En un microscopio de barrido la muestra es bombardeada con una haz fino (o sonda) de electrones con un di de lOnm o menos. Como el haz o sonda solo golpea un punto de la muestra cada vez, se deben acumular datos de muchos puntos para construir una representación del área de la muestra. La figura 60, ilustra el tipo de señales que se originan en la superficie de una muestra al ser alcanzada por un haz de electrones de alta energía. (≈ 25 KV), y que se pueden usar para formar la imagen. Se indicará el uso que puede darse a cada tipo de dato. Figura 60. Tipos de información que se generan cuando la sonda electrónica alcanza la muestra.

En el modo de operación normal o emisivó la sonda electrónica explora un área de

la muestra con un barrido vertical y otro horizontal. A] mismo tiempo un tubo de rayos catódicos o pantalla de televisión se sincroniza con el haz electrónico de modo que cada punto de la pantalla corresponde a un punto de la muestra. Entonces la intensidad de la mancha en la pantalla se modula en proporción a la intensidad de uno u otro de los datos mostrados en la figura 60, Normalmente se usan los electrones secundarios. Como se ve en la figura 61 en la pantalla se rayos catódicos se visualizan las variaciones de emisión de estos electrones. Las zonas claras y oscuras dan sensación de relieve. (elevaciones y depresiones) que corresponden a la topografía de la superficie explorada.

Esto sucede así por que la corriente de electrones que entra al detector es ampliada controlando el brillo del haz en el tubo de rayos catódicos. La selección de los parámetros de operación, tales como el numero de líneas barridas, la velocidad de barrido, etc.., se hace para optimizar la imagen resultante. Los valores típicos son de 500 a 1000 líneas de barrido

en tiempos que van desde unos segundos hasta minutos. Con algunos instrumentos también es posible barrer el haz rápidamente para producir una imagen de TV en tiempo real de treinta cuadros por segundo. Se usa un tubo de alto rendimiento para producir las fotos con imágenes de 1000 (y hasta 4000) líneas, aunque también es posible grabar en cinta de video o en un micro procesador.

Además del modo emisivo con electrones secundarios, son rutinarios el de los electrones retrodispersados y la espectroscopía de rayos X. La catodoluminiscencia y la detención de los electrones absorbidos o trasmitidos son de uso limitado, lo mismo ocurre con las ondas térmicas. Los electrones Auger requieren in especial con un vació más e1evado Figura 61.Esquema de la formación de la imagen en un microscopio electrónico de barrido.

La facilidad de interpretación de las imágenes en modo emisivo sobre todo, es lo que ha hecho que la microscopía electrónica de barrido se haya extendido tan rápidamente. La resolución de la imagen depende del tamaño del área que emite fotones o electrones en cada momento. Cuando el haz alcanza la superficie, la dispersión hace que el haz se extienda de modo que el volumen final de captura de electrones es mucho mayor que el haz incidente como se ve en la figura.62. En todo el volumen se producen electrones secundarios con energías hasta de 50 eV; sin embargo después de viajar unos 10 ó 20 nm son reabsorbidos por los átomos de la muestra; de modo que solo el volumen dentro de lOnm bajo la superficie puede emitir electrones secundarios detectables. Este volumen tiene diámetro sólo un poco mayor (1nm) que el haz, por ello los electrones secundarios dan la mejor resolución. Figura 62. Zonas que son fuentes de las señales generadas por un haz de electrones incidentes.

Los electrones dispersados provienen de una profundidad mayor- y por tanto dé un área mayor que la del haz incidente- de modo que la resolución de la imagen retrodispersada es más pobre que la de los electrones secundarios. Aún más, la resolución de la imagen retrodispersada depende de como se extienda el haz incidente, al aumentar el y voltaje de aceleración el volumen de captura es mayor y más profundo; el cuello (figura 62) se hace más largo y estrecho y se mejora la resolución de la emisión secundaria. Los fotones de rayos X de luz visible provienen esencialmente de todo el volumen y por tanto dan la resolución peor. Si hay ocasiones, donde es necesario sacrificar resolución con el fin de mejorar el contraste, especialmente con superficies lisas y bajos aumentos. Esto se logra usando el modo de retrodispersión, pues estos electrones poseen mayor energía, viajan a velocidad más elevada y van de la muestra al detector en línea recta produciendo efectos de sombra y por tanto mayor contraste.

En el caso de una imagen lograda por los electrones transmitidos (en una sección delgada) no ocurre extensión apreciable del haz y la imagen es tan buena o mejor que la de la imagen secundaria.

En general la profundidad de campo varía inversamente con los aumentos, desde más de lOOµm a 100X hasta 1Oµm a 10000X.

14.2 EL INSTRUMENTO Como se ve en la figura 63, el microscopio electrónico de barrido está constituido

esencialmente por las siguientes partes: - Un cañón electrónico que genera un haz colmado de electrones. - Un sistema doble que reflecta el haz electrónico (sentidos X y Y) - Un sistema de detección de las señales que se originan en la muestra. - Un sistema electrónico de amplificación de estas señales. - Un sistema de visualización de las imágenes (pantalla de televisión)

El instrumento se compone de una columna en la que se hace un vacío de 10-5 torr con bombas de difusión. La fuente-de electrones es el cañón electrónico que consiste en un filamento de tungsteno que se calienta al rojo blanco, rodeado por el cilindro de Wehnelt. El ánodo acelera los electrones.

Un microscopio electrónico de barrido posee generalmente dos lentes electrónicos denominados condensador y objetivo. Ambos focalizan el haz fino sobre la muestra.

El barrido del haz electrónico sobre la muestra se hace con dos pares de bobinas deflectoras situadas en las proximidades del objetivo, se utiliza el mismo generador de barrido para alimentar las bobinas y deflectar el haz de los tubos de visualización. Figura 63. Esquema de un microscopio electrónico de barrido.

El detector capta los electrones y los convierte en señal luminosa en un cristal centelleador después son fotomultiplicados. Estos fotones se convierten en un pulso eléctrico que es ampliado por un sistema electrónico.

Cada instrumento tiene como mínimo dos tubos de rayos catódicos para visualizar las imágenes. Uno es de larga persistencia de imagen para la observación, enfoque y corrección del astigmatismo, y otro de baja persistencia para el registro de la imagen en una placa foto gráfica. 14.3 PREPARACION DE MUESTRAS Y APLICACIONES.

Las muestras para el microscopio electrónico de barrido, deben, por supuesto, resumir los-criterios normales de representatividad y significancia en relación con lo que se desea observar. Como el instrumento puede acomodar muestras hasta de varias pulgadas, debido al amplio intervalo de aumentos, desde muy bajos hasta muy elevados, es bueno una zona grande y luego enfocar las características de interés. Esto evita la necesidad de selección precisa y adem5s requiere poco esfuerzo de preparación comparado con el caso de l microscopia electrónica de transmisión.

Se necesita, eso si, una superficie libre de contaminación, resistencia del material de alto vació y al haz electrónico, ausencia de cargas eléctricas y producción de electrones suficientemente elevada. Las muestras materiales que son conductores eléctricos, libres de sustancias generadas de gases, como es el caso de los metales, sólo necesitan ser cortadas a un tamaño adecuado y aseguradas al portamuestras del microscopio. Generalmente se limpia con chorro de gas ó con un solvente en un limpiador sónico.

Las secciones pulidas y atacadas se preparan de modo convencional, pero el ataque es generalmente más profundo.

El microscopio electrónico de barrido es útil en todos los campos donde sea de interés la geometría y composición de la microestructura.

Tal vez el campo más popular de aplización sea en la observación de las fracturas. Se usa con frecuencia también en el estudio de superficies corroídas o desgastadas, en la observación y determinación del tamaño y distribución de materiales pulverizados o porosos, en la determinación de la deformación plástica, la orientación de cristales y en fin en todo lo relacionado con la morfología microestructural de los metales. 15. LA MICROSONDA ELECTRONICA

Este instrumento usa las propiedades de la radiación X, emitida por las sustancias bajo bombardeo de electrones y el hecho de que las intensidades de las radiaciones características son proporcionales a la cantidad de masa del elemento emisor.

Los principios de la espectrografía de rayos X fueron previstos por Moseley en 1913 y fueron Formalizados como un método de análisis químico en 1932. En 1943 Hillier en EE.UU. patentó la idea de una microsonda electrónica. Sin embargo estos principios no fueron aplicados hasta 1951, cuando R. Castaing y sus colaboradores desarrollaron la microsonda electrónica en la Universidad de París, en el IRSID y en la ONERA (Instituto para la investigación Siderúrgica y Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aeronáuticas) de Francia.

La microsonda de Castaing era fija y aunque sugirió una de barrido, esta no fue desarrollada hasta 1957 en Cambridge. O sea que la micro sonda estuvo en uso primero que el microscopio electrónico de barrido pues al principio de la década del 60 ya era comercial. 15.1 FUNDAMENTOS DE OPERACION

Como se observó en las figuras 60 y 62 cuando el haz electrónico alcanza la superficie de un metal produce varias señales, una de ellas son los rayos X.

En este caso debe recordarse que se producen tanto rayos X continuos como característicos. El continuo de rayos X varía en longitud de onda y se puede excitar en tanto que el voltaje del haz sea mayor que cero. Este continuo de rayos X forma el fondo de la radiación de rayos X y determina el limite mínimo de detectabilidad. El intervalo de producción de rayos X continuos es similar al del haz electrónico pues la radiación X se puede generar aún con energías bajas.

Por otro lado, la radiación X característica se produce por la interacción de los electrones incidentes con los electrones de las capas internas de las átomos de la muestra; y las longitudes de onda, y la radiación característica son específicas para cada elemento. El alcance de la radiación X característica es menor que el de los electrones, pues los rayos X solo se pueden producir con energías superiores al potencial de excitación (Ve). Se puede ver que, en general para obtener una fuente de rayos X que sea de un tamaño menor µm, el voltaje del Haz electrónico debe ajustarse según el material de la matriz.

En la figura 64 se muestra el principio de operación de la microsonda electrónica. Un sistema óptico electrónico similar al del microscopio de barrido genera un haz electrónico que se puede enfocar en un punto de 100 a 300 nm de diámetro. Los rayos X generados Figura 64. Representación esquemática de la operación de la microsonda electrónica. se hacen incidir sobre un cristal de distancia interplanar d conocida, que difractará los rayos X según la ley de Bragg. Los rayos X se detectan con un contador proporcional. La

muestra, el cristal y el detector se mantienen en el mismo círculo, llamado el círculo de enfoque. Además, el ángulo entre la superficie de la nuestra y el haz de rayos X medido es el ángulo de emergencia de los rayos X. En la mayoría de las microsondas este ángulo se mantiene constante, pero el ángulo de difracción en el cristal (29) se varia, es decir el cristal y el detector se pueden mover en relación con la muestra de modo que se puedan detectar rayos X de diferente longitud de onda; y el sistema total se puede calibrar de modo que la longitud de onda de los rayos X que se detecten, se puede determinar. Corno cada átomo produce un rayo X único característico, la determinación de la longitud de onda de los rayos X identifica inequívocamente los átomos presentes en la muestra. El número de fotones de rayos X producidos a una longitud de onda dada se relaciona con el número de átomos presentes en la muestra. Sin embargo, el procedimiento para correlacionar el número de fotones producidos con la composición puede ser complicado. Esto depende de los elementos específicos presentes en el material. El número de elementos identificables está determinado por la geometría del instrumento y el espaciamiento d del cristal difractor. La mayoría de los aparatos pueden detectar todos los elementos del boro hacia arriba, pero muy pocos pueden detectar el berilio. La microsonda se puede usar para determinar un espécimen sólido que pese hasta 10-11g y con un volumen tan pequeño como lµm3 con un error menor de 1%.

Las máquinas más avanzadas están computarizadas para operación completamente automática. La resolución espacial común es de lµm. 15.2 PRESENTACION DE LOS DATOS Hay diferentes maneras de describir el tipo de análisis que se puede que se puede efectuar con una microsonda. Por ejemplo, es posible hablar de análisis cualitativo, semicuantitativo o cuantitativo o si es deseable un análisis puntual, a lo largo de una línea o en un área. Las dos clasificaciones determinarán el modo de presentación de datos usado.

Esencialmente hay tres maneras de manejar los datos. La primera es la técnica de conteo. En este caso un rayo X que entre en el detector se convierte en un pulso energético que a su vez se amplifica, se pasa a través de un analizador de la altura de los pulsos y se almacena en una unidad de escalas. Esta técnica se usa cuando se buscan resultados cuantitativos o semicuantitativos.

En el segundo método se usa una gráfica o un graficador y. La intensidad de los rayos X se gráfica contra otro parámetro. Por ejemplo para determinar los elementos presentes en una muestra en un punto fijo, un espectrómetro se variaría mientras se registra la intensidad de los rayos X como función de la posición del espectrómetro (longitud de onda). De este gráfico es posible determinar la longitud de onda de todos los rayos X presentes y de esa manera identificar todos los elementos presentes. Esto permite también determinar como varía la cantidad de un elemento dado a través de las distancias en la muestra.

El tercer método es barrer un área para obtener una representación de video corno en el SEM. Se toman fotos dando información en cada punto del barrido, referente al número de electrones de rayos X presentes y aplicar esta información en el eje Z, o control de intensidad del tubo de rayos catódicos. En un punto donde haya un gran número de rayos X la intensidad en la pantalla es elevada, y donde el número sea bajo la intensidad es menor. De este moda se puede construir una imagen cuyo brillo es proporcional a la concentración del elemento.

Para análisis cuantitativo es deseable una probeta lo más plana posible aunque se puede hacer análisis limitados en superficies rugosas, como las fracturas.

En resumen la utilidad de la microsonda electrónica en metalografía es evidente y sus enormes potencialidades en la caracterización de materiales no es necesario recalcarlas. 16 ANALISIS CON ENERGIA DISPERSIVA DE RAYOS X ( EDAX )

Este tipo de análisis espectroquímico se puede aplicar en cualquier aparato común que incluya difracto’metro de rayos X o espectrómetro de fluorescencia, los cuales usan contadores proporcionales de centelleo. Sin embargo, debido a la mala resolución de esos detectores, tal aplicación solo es factible con muestras que sólo contengan un elemento más pesado en una matriz liviana - o un máximo de tres o cuatro elementos que presenten pulsos de intensidad ampliamente separados.

Por otro lado, el pequeño tamaño del haz electrónico (l0nm) y la respectiva corriente del haz tan baja en el Microscopio Electrónico de Barrido (comparada con 1000nm y 106 veces m alta intensidad de la microsonda electrónica) hace extremadamente difícil hacer análisis dispersivo de las longitudes de onda de los rayos X generados en el SEM. Sin embargo, hacia 1970 se introdujo un detector de litio-silicio de estado sólido el cual permite detectar la energía de dispersión de rayos X de 1 a 30KV en la microsonda electrónica de barrido. Esto hace posible llevar a cabo espectrocopía de rayos X sobre características de interés observadas en el SEM.

En la actualidad entonces, el análisis de energía dispersiva de rayos X. (E.D.S: Energy-dispersive X-ray spectrometry) se hace con equipos especiales como el que se describirá a continuación, una marca conocida de estos analizadores s la EDAX y por esta razón a este sistema también se le conoce por este nombre. 16.1 EL INSTRUMENTO

En la figura 65, se muestran los componentes básicos del EDAX: (1) Una fuente de excitación, que puede ser un tubo de rayos X de alta o baja potencia, un haz electrónico, un haz de protones, iones o radioisótopos; (2) Un sistema para presentar la muestra; (3) Un detector Si(Li) alojado en un criostato de nitrógeno-líquido al vació; (4) Un analizador multicanal; (5) Una unidad de computador y memoria; y (6) Un tubo de rayos catódicos, un registrador x-y, o unidades digitales o impresores. La memoria puede ser “dedicada” es decir un microprocesador que es parte del espectrómetro mismo, una unidad separada del laboratorio, o una terminal de un computador grande. Los espectrómetro’s’ uso con detectores Si(Li) y analizador multicanal son aplicables a los elementos con número atómico mayor de 11 (Na), aunque en casos especiales se puede aplicar hasta los elementos con número atómico 6 (carbono). La sensibilidad puede ser menos de lppm. Las probetas pueden ser de cualquier forma. Estos espectrómetros son muy flexibles, versátiles y rápidos. Figura 65. Diagrama de bloques de un espectrómetro EDAX

En la figura 66, se observa el esquema de un analizador multicanal que junto con el detector de Si(Li) de estado sólido son el alma del espectrómetro Edax. La altura de los pulsos aparece en el osciloscopio graficada contra el tiempo, esta altura o línea base se divide en 200, 400, 800, 1200 o más canales ventajas individual iguales y estrechas, cada

una de ellas conectada con su propio acumulador o memoria. El analizador recibe la señal del amplificador y Figura 66. Representación esquemática de un analizador multicanal. discrimina los pulsos por altura, dirigiendo cada uno a su propia “caja” sobre la Línea base., El proceso continúa hasta acumular un conteo grande - dígase 105 en el canal correspondiente al pico más elevado. El número contado e cada canal se puede exhibir duran te la acumulación en un osciloscopio o se puede leer al final del tiempo de conteo en un. graficador x-y o en una impresora. Un analizador de 400 canales, en efecto barre por pasos la línea base en 400 pasos, pero de “una vez” y no secuencialmente.

En la figura 66, se muestra un analizador de 30 canales para fines ilustrativos, pero en un espectrómetro EDAX el analizador tiene 400 o más canales. La principal ventaja es el hecho de que se acumula simultáneamente todo el espectro entero de energía: es el medio más rápido de exhibir un espectro de energía y por tanto de hacer análisis espectrométrico de rayos X cuantitativo. El análisis se detiene tan pronto como el espectro sea adecuado para el objetivo buscado. 16.2 APLICACION

Como se explicó, el espectro de energía de rayos X se acumula en el analizador multicanal. En el tubo de rayos catódicos se puede ver como se llenan los canales. La acumulación continúa hasta que: 1- transcurre un tiempo predeterminado; 2- Una cuenta dada (102-106) se ha acumulado en un canal dado; 3— El espectro acumulado en el tubo de rayos catódicos es adecuado. Al final el espectro se puede fotografiar con una cámara polaroid en el osciloscopio, se puede graficar en un registrador x-y o se pueden imprimir. También alimentar en un computador.

El funcionamiento del EDAX se puede considerar en cinco categorías: 1- Exhibición del espectro y acotamiento; 2- Procesamiento del espectro; 3 Análisis cualitativo y comparativo; 4- Análisis cuantitativo; 5- Automatización. La función 4 se describirá brevemente.

Hay varias maneras como el espectro analítico se puede procesar para análisis cuantitativo; una de las más usadas es convertir las intensidades en concentraciones analíticas con un programa de computador. Para ello primero se almacenan los picos de intensidad característicos de los metales puros en la memoria del microprocesador los cuales se comparan con los del espectro. Así con un programa se obtienen las composiciones químicas, sin necesidad de conocer las matemáticas o la electrónica del instrumento pues casi toda la operación es automática.

Además este método tiene la ventaja de permitir el análisis cualitativo de superficies rugosas. 17 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO-TRANSMISION

La microscopia electrónica de barrido-transmisión (scanning Transmission Electron Microscopy: STEM) es una evolución de microscopia electrónica de transmisión en láminas delgadas. La STEM abrió una nueva dimensión total a la TEM porque amplió significativamente al alcance de las capacidades y convirtió el microscopio de transmisión en una poderosa herramienta microanalítica.

En las figuras 60 y se esquematizaron las distintas señales generadas por un haz incidente de electrones. La habilidad de hacer uso total de cada uno de estos procesos o grupos de electrones para formar imágenes es uno de los objetivos principales de la microscopía electrónica. Como se sabe en TEM se usan solo los electrones transmitidos bajo cierto ángulo debido a las aberraciones de los lentes además los electrones que han sufrido pérdidas significativa de energía deben removerse (con apertura) para minimizar la aberración cromática. Por eso solo pueden usarse láminas delgadas.

En principio, una de las mayores ventajas del STEM es poder superar las anteriores limitaciones puesto que no hay lentes formadores de imagen debajo de la muestra y por tanto se puede detectar cualquier intervalo angular de electrones y no hay limitaciones en la imagen con la “pérdida de electrones”. De este modo queda disponible todo el intervalo de procesos de dispersión para formar imágenes y los límites a la resolución y la información estarán determinadas por: El tamaño del haz, el proceso de dispersión mismo y la eficiencia de detección.

En principio hay dos métodos de lograr microscopia e Barrido-Transmisión; basadas en el microscopio de transmisión.

El método más simple es usar un microscopio electrónico de barrido, figura 67, y añadir un detector de apertura convenientemente. Será un STEM completo si el detector se reemplaza con un detector anular seguido de un espectrómetro de pérdida de energía (electron energy loss analysis: EELS). Figura 67. Diagrama esquematico de un sistema SEM/STEM.

La segunda configuración tiene lentes entre la muestra y el detector de electrones. Figura 68. Esos lentes pueden ser los lentes intermedios y proyectores de un TEM convertido a STEM o una columna de lentes diseñados especialmente.

Este sistema es el que se ha desarrollado para la caracterización de materiales. En este caso el detector puede recoger electrones secundarios, electrones retrodispersados y tiene un EDAX y un espectrómetro de pérdida de electrones. Figura 68. Diagrarna esquemático del sistema TEM/STEM

El haz electrónico se enfoca en un área que puede ser de 4µm de diámetro sobre el área de la muestra. Esta sonda electrónica barre la muestra por medio de las bobinas de barrido y la intensidad transmitida se detecta.

En metalografía el STEM se usa corno herramienta analítica, la sonda se fija sobre una pequeña área seleccionada para determinar la composición por medio de EDAX.

Lo notable de esta técnica es que se tiene la información estructural de alta resolución típica del TEM junto con la información química adicional y una gran resolución espacial. Esta técnica esta todavía en proceso de mejoramiento.

Aunque los principios parecen simples, la interpretación de los datos requiere buen conocimiento del fenómeno básico en física y metalurgia física. La preparación de muestras es la misma que para TEM y la operación del instrumento es mucho mas complicada. 18. OTRAS TECNICAS SUPERFICIALES DE ANALISIS

El análisis de superficies en un área relativamente nueva de investigación y desarrollo, pero que ha evolucionado rápidamente debido sobretodo a su utilidad en la resolución de problemas y en la e de fenómenos relativos a la superficie.

Primero que todo hay que señalar que la superficie no es realmente la “superficie”. Superficie es el material que puede esperarse que difiere del resto del volumen, en términos de composición química, energía de enlace, espaciamiento atómico, etc. La profundidad de esta zona superficial varía de un material a otro desde unos nanometros hasta varios micrómetros. Los procesos de difusión que ocurren allí incluyen el enlace de las pinturas, recubrimientos electrolíticos, catálisis, corrosión, uniones, desgaste, lubricación, etc..

Para estudiar las superficies, además de las técnicas mencionadas en secciones anteriores se utilizan principalmente; la espectroscopía de electrones Auger (Auger electron spetroscopy: AES), espectroscopia de fotoelectrones inducidos por rayos X (X-Y induced photoelectron spectroscopy XPS), llamada también espectroscopía de electrones para análisis químico ( electron spectroscopy for chemical analysis ESCA), espectroscopía de dispersión de iones (ion scettering spectroscopy; ISS) y espectrometría de masas de iones secundarios (secundary ion mass spectrometry: SIMS). Estas técnicas están relacionadas en que en todos los casos la muestra se estudia en vació ultra alto

La muestra se bombardea con electrones, rayos X, o iones que producen emisiones constituidas por electrones o iones como se muestra esquemáticamente en la figura 69. En esta sección se considerarán estas técnicas especialmente, pues las cuatros exploran distintas profundidades ISS explora capas atómicas, ESCA explora de 0.5 a 5.0 nm, y la AES muestra profundidades menores. En la técnica SIMS, se pueden remover capas de átomos sucesivamente y analizarse, al menos en principio, capa por capa hasta que se penetre la muestra. Figura 69. Relaciones principales entre las técnicas de análisis superficial. 18.1 ESPECTROCOSPIA DE ELECTRONES AUGER ( AES)

El descubrimiento del fenómeno en el cual se basa la espectroscopia de electrones Auger se remonta al trabajo de P. Auger en 1925. Lander fué el primero en reconocer el potencial de esta técnica para el análisis químico en 1953, pero no fué hasta el trabajo de Harris en 1968 cuando la técnica se hizo útil como herramienta analítica.

Por la misma época los trabajos de Tharp y Scheibner, Weber y Peria y Palmberg y Rhodin, llevaron al uso de equipo de difracción de electrones de baja energía. Desde entonces la AES se hizo una técnica corriente y en la actualidad es uno de los métodos más populares de análisis superficial. 18.1.1 FISICA DEL PROCESO AUGER

La Figura 70, muestra el proceso característico en que se basa la espectroscopia Auger, llamado así por P. Auger quien en 1925 observó trazos pareados de electrones de átomos de gases raros en una cámara de niebla, identificando correctamente su origen. Una haz monoenergético de electrones primarios (con energía entre 100 y 10000ev) incide sobre la superficie de interés. Un átomo que está en la trayectoria de la corriente de electrones, pierde un electrón de una dé sus capas internas (K, L, M, etc...) como resultado de una colisión electrón-electrón. De este modo el átomo queda en un estado energético excitado y debe regresar a su estado energético normal. Para que esto ocurra, un electrón de un nivel más elevado de energía

Figura 70. Representación esquemática del proceso Auqer.

(Valencia L, etc…), que el del vació electrónico que ahora, existe, debe caer a la capa donde se creó este vació. La energía liberada cuando este electrón cae, Ek-EI puede producir un fotón (rayos X) o transferirse a un electrón que está en un estado energético más elevado. Normalmente este electrón saldrá expulsado del sólido y es lo que se llama un electrón Auger. La energía cinética con que sale es:

SLLKKLL ZEZEZEE −−∆+−−= φ)()()(

donde E = energía de la capa n, Z número atómico del elemento, ∆ es una corrección, que tiene en cuenta el hecho de que el electrón se origina en un átomo ionizado, es la función trabajo de la muestra. Las energías de estos electrones Auger son únicas, en el sentido de que están determinadas completamente por las energías de los niveles individuales que participan en la transición energética. Las energías comunes de los electrones Auger varían entre 50 y 1500 ev. Como se vé en la figura 70, KLL es la flotación del proceso así K se refiere al lugar donde se creó el hueco electrónico, L el nivel de donde proviene el electrón que llena la valencia y la otra L el nivel desde donde se expulsa el electrón Auger, dél mismo modo KLM, LMM, etc., son ejemplos de transición Auger típicos.

Como se vé, el proceso es similar al de la misión de rayos X los electrones Auger tienen más baja energía y su trayectoria libre media en el sólido es mucho más corta que la de los fotones de rayos X.

La profundidad de escape es de 0.5 a 2nm y por esta razón (que también es válida para los fotoelectrones ESCA) la espectroscopía Auger es tan sensible como técnica de análisis químico superficial. 18.1.2 EL PROCEDIMIENTO Para el análisis superficial la muestra se coloca en una cámara que se evacua a una presión menor de 10-7 torr (en algunos casos de 10-10 torr) y se bombardea con el haz de electrones. Los electrones emitidos se detectan con un analizador de velocidad electrostática donde sólo los electrones que tienen un cierto intervalo estrecho de energía alcanzan el detector que es un multiplicador de electrones. El analizador de velocidad más común es el analizador de espejo cilíndrico, Figura 71, donde el cañón electrónico es coaxial, el espejo enfoca los electrones sobre el multiplicador con un alto factor de transmisión. La señal proveniente del multiplicador pasa a un amplificador y luego a un tubo de rayos catódicos, un graficador x-y o un computador. Figura 71. Esquema de la medición del Espectro Auger con analizador coaxial Los picos AES obtenidos son mucho menores que los de los electrones secundarios, para

resaltar esos picos no se hace una curva N (E) contra E sino vsEdE

ENd )(, de este modo los

picos resaltan nítidamente; estos se comparan con los espectros de los elementos puros y de este modo la información del espectro se convierte en datos cuantitativos.

Actualmente la AES es de uso rutinario en muchos campos, en metalurgia permite estudiar la difusión y segregación de impurezas en aleaciones, los fenómenos de límite de grano, las fallas de soldaduras, la corrosión y desgaste de superficie, la adherencia de recubrimiento, la fragilidad de revenido, la corrosión bajo tensión, la identificación de productos de corrosión, la pasivación de superficies, el crecimiento de capas de óxido, etc, amen de muchos otros posibles fenómenos. O sea que el uso del AES será cada vez mayor y por eso es importante tener idea de sus posibilidades.

18.2 ESPECTR DE ELECTRONES PARA ANALISIS QUIMICO (ESCA)

Junto con AES la espectrocospia de foto electrones inducidos por rayos X (XPS) o ESCA es una de las técnicas “nuevas” más usadas para el análisis químico de superficie. Como en el caso de otros métodos, los principios de la ESCA datan de comienzos de siglo, pero en términos prácticos la ESCA fue descubierta en 1967, después de los trabajos de Kai Siegbahn y sus colaboradores en Uppsala. Hacia 1968 se hicieron comerciales los aparatos ESCA que en este momento son especialmente útiles por la incorporación de los microprocesadores.

A la técnica ESCA o XPS se le dan otros nombres tales como espectroscopía fotoelectrónica de las capas externas (internas)- photoelectron spectroscopy of outer (inner) shells PESO(I)S”-, emisión inducida de electrones (induced electron emission: IEE) o más simplemente espectroscopía fotoelectrónica.

En esencia todos estos términos describen la medida de la intensidad de los electrones, emitidos por una muestra como una función de la energía que acompaña la absorción de fotones de energía bien definida.

En la figura 72 se muestra el proceso de excitación en ESCA. La diferencia fundamental con la AES es que en ESCA se usan rayos X como haz incidente para excitar la emisión. Cuando el fotón de rayos X con energía hv excita un electrón de una capa del átomo de la muestra entrega toda su energía. Esto dota al fotoelectrón expulsado con una energía cinética bien definida que es: E = hv - EL - φs Figura 72. Representación esquemática de proceso de emisión ESCA X incidentes llegan a producir excitación de este tipo. Los cátodos generadores de rayos X más usados son Mg y Al.

En ESCA también es necesario un buen vació (10-6, 10-10 torr), en sistemas bien definidos la sensibilidad es de menos de 1% de una monocapa, pero comúnmente es del orden de 5% atórnico.

Además de la fuente de excitación de AES y la ESCA se diferencian en que los fotoelectrones ESCA están relacionados linealmente con la energía de los rayos X incidentes, mientras que la energía cinética de los electrones Auger es independiente del haz primario.

ESCA también puede dar información sobre el proceso Auger. Pero tal vez la principal ventaja de la ESCA es su habilidad para revelar el estado elemental de oxidación.

Se usan varios tipos de sistemas ESCA, el original desarrollado por Siegbahn fue un espectrómetro de rayos beta modificado que usaba un campo magnético para dispersar y enfocar los electrones. Los sistemas en uso utilizan analizadores electrostáticos y generalmente son multifacéticos que se pueden usar para varias técnicas superficiales. La ESCA se usa en todas áreas de estudio, análisis e investigación de superficies. 18.3 ESPECTROCOSPIA DE DISPERSION DE IONES

Tanto la espectroscopía de dispersión de Iones (ion scattering. spectroscopy: FSS) como la espectrometría de masas de iones secundarios usan un haz de iones de gas inerte para explorar la superficie. Estas técnicas tienen la ventaja de que un mismo haz puede usarse para generar los datos analíticos y para la remoción controlada de átomos

superficiales de esta manera, se pueden obtener perfiles de profundidad con un sólo haz de partículas con bombardeo y análisis repetitivo.

El principio de la espectroscopía por dispersión de iones es simple: unión incidente de masa Mo. y energía Eo golpea un átomo superficial de masa Mi y retrocede con una nueva energía Ei. La medida de esta energía de retroceso, a un ángulo específico de dispersión, es suficiente para determinar la masa del átomo. Este método había sido usado mucho por los físicos nucleares para sondear profundidades mayores de 1µm. Sin embargo, en 1967 D.P. Smith notó que el espectro cambiaba de carácter para energías bajas de iones incidentes (menos de 5Kev); a estos valores de energía los iones dispersa dos sólo se originan en la capa más externa. Se supuso que los iones que penetraban más allá de esta capa eran neutralizados y no contribuían a los espectros observados de iones dispersados. Esta extrema sensibilidad superficial de la espectroscopía de dispersión de iones ha hecho que se use en una amplia variedad de aplicaciones industriales.

Los equipos para ISS se han comercializado desde 1970, y los actúa les alta computarizados dan una resolución espacial de 100µm 18.4 ESPECTROMETRIA DE MASAS DE IONES SECUNDARIOS

Una técnica adicional sensible a la superficie y que se encuentra muchas veces combinada con AES o ESCA es la espectroscopía de masas de iones secundarios (secundary ion mass spectroscopy SIMS). En su forma general el instrumento para si consisto en un cañón de iones que produce un haz con una energía de 1 a 2OKev y un tamaño que va desde los micrones hasta los milimetros y un espectrómetro de masas que separa los iones secundarios producidos por el haz incidente. Este haz al erosionar la superficie arranca no sólo iones sino también átomos.

Este método data de los experimentos de Von Ardenne en 1939 pero solo en los últimos años se ha desarrolla plenamente originando tres grupos generales de equipos:

- El primer grupo incluye los instrumentos constituidos por un haz primario de iones de varios µm de diámetro y un espectrómetro de masas magnético para iones secundarios, que produce imágenes de iones secundarios.

- El segundo grupo utiliza haces primarios mayores y espectrómetros especialmente construidos con mayores capacidades de enfoque.

- El último grupo incluye una gran variedad de cañones cuyo común denominador es un espectrómetro de masas cuadruplo para analizar los iones secundarios. La instrumentación SIMS tiene dos formas generales: La microsonda iónica con la

cual se hace análisis local microenfocar el haz primario, llamado analizador de masas de microsonda iónica (ion microprobe mass analyzer, IMMA), y el microscopio iónico, en el cual el análisis local se efectúa formando una imagen verdadera mediante extracción geométrica de los iones secundarios y enfocando esta imagen (DIMA)

La técnica SIMS ofrece las siguientes capacidades: - Todos los elementos químicos se pueden observar incluído el hidrógeno. - Se pueden medirlos isótopos de un elemento, ofreciendo la posibilidad de

determinar coeficientes de autodifusión, fechado isotópico y marcaje isotópico. - El área de análisis pueden ser tan pequeña como 2µm2. - Es una técnica superficial y subsuperficial. - La sensibilidad es mayor que en AES o ESCA y es del orden de 10-3pprn. - Se puede combinar la imagen con el análisis

- Se puede obtener un perfil de profundidad de 1nm. 18.5 ESPECTROMETRIA DE MOSSABAUER

Cuando un núcleo radioactivo emite un fotón de rayos gamma de momento p, la energía de retroceso impartida al núcleo está dada por:

M

PE r 2

2

=

Cuando los átomos que emiten la radiación están en estado gaseoso, M es la masa del átomo.

En 1958, R.L. Mossbauer descubrió que si la fuente de rayos γ es parte de un sólido cristalino, la energía de retroceso es práctica mente cero en una fracción significativa de decaimientos. Esto se debe a que la masa M es comparable en este caso a la de un microcristal. La masa a la cual se transfiere el momento de retroceso se puede considerar infinita en comparación con la del átomo, así la velocidad de retroceso es cero. Este fenómeno se llama emisión sin retroceso de la radiación.

Uno de los efectos Móssbauer más conocidos es el del hierro 57, formando en el decaimiento del cobalto 57 por captura de electrones con una vida media de 270 días. El primer estado excitado del Fe está a 14.4Kev por encima del nivel básico; con este valor la energía máxima de retroceso es de Er = 0.00eV. La vida media de este primer estado excitado es relativamente larga, y de una línea espectral estrecha, esto hace posible la medición de cambios de energía muy pequeños inducidos en la fuente o en el absorbedor por un agente externo, que puede ser temperaturas campo magnético o campo gravitatorio.

El espectrómetro Móssbauer mide las pequeñas diferencias de energía daudo una alta resolución.

En una interacción como la descrita para el efecto Mossbauer hay dos componentes una debida a la corteza del átomo o cortical (densidad electrónica, S, gradiante de campo electrico o magnético) y otra nuclear (radio efectivo del núcleo, momento cuadripolar eléctrico, momento dipolar). Ello resulta forzosamente en ciertas aplicaciones de física nuclear.

Para las técnicas de las mediciones analíticas es de importancia particular la componente cortical. De esta componente depende la configuración electrónica de los átomos de Mossbauer, o sea del enlace químico y de la red cristalina, así como de los campos exteriores.

El alto poder de resolución permite pues medir con exactitud la influencia de las capas de electrones sobre el núcleo atómico o sea la posibilidad de usar los núcleos atómicos como microsondas para los exámenes fisicoquímicos. El método es aplicable incluso a las sustancias cuyos núcleos no presenten ningún efecto Mossbauer: se incorporan los núcleos de Mossbauer en la red para estar luego en condiciones de examinar zonas próximas a estos núcleos. Entre otras aplicaciones, la espectrometría Mossbauer se ha utilizado en el estudio de las aleaciones Fe-Cr y de los aceros inoxidables, pero los detalles pueden estudiarse en la referencias. 18.6 MICROSCOPIA DE CAMPO IONICO

El microscopia de campo iónico fué introducido por Muller en 1956 como una técnica capaz de una resolución de 0.2 a 0.3nm (o sea a escala atómica) pero solo al principio de la década del 60 se aplicó a los estudios de metalurgia. Sin embargo al

principio solo podían estudiarse los materiales más refractarios, el estudio de metales menos refractarios como hierro, cobre y aluminio solo se hizo posible hacia 1968. Uno de los campos que se sigue desarrollando es el de la sonda atómica que permite identificar las especies químicas.

Las probetas que se usan son agujas de radio hemisférico 0.01-0.1µm y los cuales se soldan al extremo de un filamento que se mantiene entre electrodos enfriados. El ambiente se evacua a menos de 10-6 torr y se deja entrar Helio puro hasta que la presión es de 10-3 para metales menos refractarios se usa neón.

La muestra se somete a un voltaje de 5-3OKeV positivo respecto a la pantalla de observación, esto da un campo de fuerza de unos 50V/nm en la cercanía de la punta. El efecto de este campo es atraer los electrones del gas hacia el metal, proyectando gas ionizado, estos iones se aceleran desde la punta que los irradia produciendo un punto brillante en la pantalla. Cada punto corresponde a un centro de ionización en la superficie metálica, es decir a un átomo.

Pero la emisión de luz por el fósforo decrece rápidamente al aumentar la masa de las partículas incidentes, por esta razón se introdujo la placa-canal que convierte la señal iónica en una señal electrónica amplificada.

Debe recordarse que la imagen formada es la proyección de una superficie semiesférica, la estructura verdadera es difícil de establecer.

El otro avance de la microscopia de campo jónico fue la introducción de la sonda atómica, esta está constituida por dos partes: un microscopio de campo iónico de ultra alta resolución y un espectrómetro de masas.

Para hacer al análisis químico, el átomo que se observa se arranca con un alto voltaje. Se remueven muchos átomos, pero sólo los que estén frente a un pequeño hueco en la placa-canal puede pasar. y van al espectrómetro. Se mide el tiempo de viaje y con este tiempo, la distancia, y los valores de los potenciales aplicados se calcula la relación masa/carga del átomo analizado. De este modo el microscopio de campo jónico permite no sólo visualizar los átomos individuales sino identificarlos; algo de un alcance inimaginable en metalografía.

Para superar algunas limitaciones del microscopio de campo iónico se han desarrollado otras técnicas tales como el microscopio electrónico de ultra alto voltaje (más de MeV) esto disminuye la longitud de onda. ,incrementando la resolución hasta el punto de permitir visualizar los átomos individuales. 18.7 ESPECTROCOPIA DE EMISION OPTICA CON PLASMA ACOPLADO INDUCTIVAMENTE ( I.C.P. ).

Aunque esta no es una técnica de análisis superficial se menciona aquí porque es uno de los métodos de análisis químico que más se ha desarrollado en Lis últimos cuatro años, aunque se introdujo comercialmente hace unos 10 años con el nombre de Inductively Coupled plasma (ICP).

La fuente de plasma es un generador de radio frecuencias a 27 MHz pero con una potencia de entrega de 3KW. De la misma manera que trabaja un horno de inducción, esta potencia se transmite a través de una bobina al argón formando el plasma. La muestra a analizar, ya sea en solución o suspensión líquida se bombea continuamente a través de este plasma de argón en cuyo centro experimenta temperaturas de unos 7500°C. A esas temperaturas la muestra se descompone en átomos individuales, los cuales se energizan

más aún para formar iones. Los átomos e iones de cada elemento emiten longitudes de onda características que son detectadas y medidas por un espectrómetro.

De este modo elementos como azufre, fósforo, boro y muchos refractarios se pueden cuantificar en concentraciones bajísimas; en el acero se han detectado hasta 18 elementos algunos en concentraciones de 5 x 10-6g/lt 19. METALOGRAFIA CUANTITATIVA

El tamaño de granos y partículas en las estructuras metálicas influye marcadamente sobre muchas propiedades del material y sobe la cinemática de muchos procesos. Por está razón la distribución de tamaños es uno de los parámetros más importantes en la descripción de una microestructura.

Por supuesto, la necesidad de tener métodos precisos y sencillo para analizar la distribución de tamaño no se limita a la metalurgia sino que es igualmente importante en geología, biología, medicina y en otros campos, razón por la cual durante los últimos veinte años se ha desarrollado un nuevo método de trabajo para el análisis estructural cuantitativo de cuerpos heterogéneos llamado morfometría, o más general mente estereoloqía.

Las principales dificultades encontradas en el análisis de la distribución de tamaños en las muestras metalográficas, surge de la imposibilidad de medir la verdadera distribución de modo directo. Como las muestras opacas se investigan por medio de secciones planas, por eso, la estereología, que reposa en bases matemáticas, trata de las relaciones cuantitativas entre las medidas hechas en las secciones bidimensionales y la magnitud de las características tridimensionales del material.

La mayoría de los métodos de recuento y de medición utilizando microscopios son métodos estadísticos. Por esta razón es importante el muestreo en sí tanto como la preparación de la muestra. A partir de los datos experimentales obtenidos, las fórmulas matemáticas permiten calcular la superficie, las relaciones superficie/volumen, la longitud de las estructuras lineales y la cantidad de partículas por unidad de volumen. En esta sección se resumirán las técnicas y las fórmulas y principios matemáticos que conducen a dichas determinaciones directa o indirectamente. 19,1 PRINCIPIOS DE LAS MEDICIONES METJ

La manera más sencilla de evaluar la microestructura de las muestras metalúrgicas es preparar una sección plana y observarla en un micros copio óptico. Para estructuras más finas en la región nanoscópica se usan instrumentos demás elevada resolución, tales como microscopios de transmisión, microscopios de campo iónico u otras técnicas ya discutidas en secciones anteriores.

Sin embargo, algunos puntos son de importancia especial en la evaluación cuantitativa de microestructura y se deben considerar en relación con el análisis de la distribución de tamaños:

- El método de preparación debe hacer las características claramente visibles. La rotura de partículas, la desfiguración de los poros y el mal contraste pueden falsificar los resultados, sobre todo en mediciones semiautomáticas, o automáticas.

- El método de preparación no debe producir relieves cuya profundidad sea del mismo orden de magnitud que el tamaño de los elementos estructurales que se miden.

- Se debe tener especial cuidado en usar muestras representativas y campos aleatorios de la sección para evitar la falta de homogenidad.

- Las láminas usadas en microscopia de transmisión deben ser de espesor uniforme.

- Si se usa el método de extracción por réplicas debe evitarse el seccionamiento de las partículas. Los procedimientos experimentales se basan en los siguientes principios:

- Análisis de áreas o de Delese (basado en el principio del geologo francés A. Delese quien lo estableció en 1847), dice que la fracción de área, de una característica tridimensional, interceptada por un plano cualquiera da un estimativo no sesgado de la fracción volumétrica.

- Análisis lineal o de Rosiwal (establecido por A. Rosiwal en 1903) dice que el intercepto fracción sobre una línea que pase aleatoriamente a través de una característica bi o tridimensional proporciona un estimativo no sesgado de la fracción de área o volumen.

- Análisis de conteo puntual: La fracción de puntos dispersos aleatoria o regularmente que caen dentro de los límites de una característica bidimensional en un plano, o dentro de los límites de una característica tridimensional en un volumen, dá un estimativo no sesgado de la fracción de área o de volumen de tal característica. Estos principios originan seis posibles procedimientos experimentales: Análisis de áreas. Que implica la medición del área de un constituyente interceptado

por el plano pulido. Conteo aleatorio de puntos en forma bidimensional. Se superpone un gráfico

transparente sobre la micrografía y se usa una tabla de números aleatorios para seleccionar las coordenadas de los puntos.

Conteo sistemático de puntos en forma bidimensional. Similar al anterior, pero los puntos se distribuyen de un manera preestablecida, por ejemplo en las esquinas de una rejilla que se superpone a una micrografía o la pantalla de proyección de un microscopio

Análisis lineal. Medida de la fracción de línea interceptada. Se hace moviendo la muestra bajo dos líneas cruzadas del ocular y anotando la distancia recorrida por cada constituyente.

Conteo de puntos aleatorios y unidimensional. Se hace moviendo la muestra con paradas a intervalos aleatorios para identificar el constituyente que esté, presente bajo las líneas cruzadas.

Conteo de puntos sistemático y unidimensional. Similar al anterior pero el movimiento se detiene a intervalos determinados (e iguales). Estos seis procedimientos descritos incl menos una etapa de muestreo.

La escogencia del método se debe de en cada caso, esto depende de la técnica microscópica, el material que se estudia, la forma y dispersión de las ‘partículas y la disponibilidad de equipos y computadores. En general se prefiere el método de intercepto lineal. 19.2 ESTIMADA DE LA DENSIDAD VOLUMETRICA.

El tamaño de un elemento tridimensional es fácil de caracterizar sólo si tiene una forma simple y definida geométricamente. Los casos más simples son las esferas que se pueden medir por su diámetro o los poliedros regulares por la arista. Los granos y partículas irregulares se pueden caracterizar por su volumen o por “el diámetro de volumen equivalente”, que es el diámetro de una esfera que tenga e mismo volumen que la irregularidad en cuestión figura 73. Figura 73. Cantidades: para graduar características espaciales irregulares.

De entre las muchas características usadas en el análisis de partículas en polvos, sólo el día de calibrado (figura 73), que es la distancia entre dos planos tangentes paralelos, puede ser útil en metalografía

Las siguientes cantidades, mostradas en la figura 74, se usan para caracterizar el tamaño de elementos planares (áreas proyecta e intersectadas); a- Diametro de Nassenstein, que es definido por la longitud interceptada perpendicular a la dirección de barrido, Figura 74. Cantidades para graduar características planas irregulares. b- Diámetro de Martin, que es el intercepto en la dirección de barrido que divide el área en dos partes iguales, c- Diámetro de Feret, que el diámetro de calibrado en la dirección de barrido, d- La proyección que es el diámetro de calibrado en la dirección normal al barrido y, e- La máxima cuerda en la dirección de barrido. Todas estas características sólo son útiles en combinación con aparatos de barrido automático. El diámetro equivalente de área y el intercepto lineal son muy importantes. En general las cantidades importantes y sus símbolos se indican a continuación.

P: Número de elementos puntuales o puntos de ensayo. Puntos contados.

Pp=P

Pi: Fracción de puntos, números de elementos puntuales sobre el número total

de puntos ensayados L(mm): Longitud de elementos lineales o longitud de la línea de ensayos.

PL= )( 1−mmL

Li Número de intersección de puntos por unidad de longitud de la línea

de ensayo. LL(mm/mm): Suma de longitudes de interceptos lineales dividida por la longitud

total de la línea de ensayo. A(mm2): Área planar de las características interceptadas o área de ensayo. S(m m2): Área superficial ó área interfacial, se refiere a superficies curvas. V(m m3): Volumen de los elementos tridimensionales o volumen de en sayo. AA(mm2/mm2): Suma de las áreas de las características interceptadas dividida por el

área total de ensayo. Sv(mm2/mm3): Área superficial dividida por el volumen total ensayado. Vv(mm3/mm3): Suma de los volumenes de las características estructurales dividida

por el volumen de ensayo. N: Número de elementos. NL(nm-1): Número de intercepciones de elementos dividido por la línea total de

ensayo. PA(m m-2): Número de elementos puntuales dividido por el área total de ensayo. LA(mm/mm2): Suma de las longitudes de elementos lineales dividida por el área

total. NA(mm-2):)Número de intercepciones de elementos dividido por el área total. Lv(mm/mm3): Longitud de las características dividida por el volumen de ensayo. Nv(mm-3): Número de elementos por volumen. L (mm): Distancia media de intercepto lineal. LL/NL. A (mm2): Intercepto medio de área, AA/NA.

S (mm2): Área superficial media de la partícual Sv/Nv.

V (mm3): Volumen medio de partículas, Vv/Nv. De gran interés son Pp, PL, NL, PA y NA porque se pueden determinar con facilidad. Los análisis teóricos han determinado técnicas eficientes de ensayo, se puede

predecir al número de ensayos requeridos para lograr la precisión deseada. A continuación se dará un resumen muy breve de las bases matemáticas de la microestereología. Es necesario ahora concretar y extender los principios generales ya enunciados: PRIMER PRINCIPIO.

“La fracción superficial AA de una sección es igual a la fracción volumétrica Vv de la totalidad del cuerpo”.

Se supone que la distribución es irregular y aleatoria y que la superficie de la sección estudiada es suficientemente grande como para reflejar la constitución real del cuerpo. SEGUNDO PRINCIPIO

En una serie de cortes delgados (figura 75) la fracción superficial AA es igual la fracción volumétrica Vv en la totalidad del cuerpo.

Se supone que la serie de cortes es representativa de las condiciones existentes en el cuerpo examinado y constituye un muestreo valido para la interpretación estadística. Así pues la determinación de volúmenes se reduce a una determinación de superficies. Figura 75. Modelo para derivar el segundo principio.

Como ejemplo considérese un corte observado al microscopio cuya superficie total se reporte por partes iguales entre dos componentes α y β.

Si se graba un punto de referencia sobre cualquier lugar de un retículo oculár. La probabilidad de que dicho corresponda a una zona de componente es 0.5. La probabilidad de que corresponda al componente p es también de 0.5. La probabilidad total es 1,para los dos componentes. Por otra parte, se demuestra que la probabilidad de hallar uno u otro componente en un punto de referencia dado depende siempre de la proporción relativa en que estén presentes ambos componentes.

A= Aα + Aβ Esto también es válido para sistemas formados por más de dos componentes. Así

pues se puede examinar gran cantidad de campos visuales (zonas) y contar las veces que el punto de referencia coincide con el componente α o con el β, obteniendo directamente la relación promedio entre α y β. Pero la utilización de un sólo punto de referencia desperdiciaría gran parte de la información que puede proporcionar cada campo visual. Este inconveniente se supera agregando al retículo más puntos de referencia, pues los resultados obtenidos con pocos campos visuales estudiados con muchos puntos de referencia son iguales a los que se obtienen examinando muchos campos visuales pequeños con un único punto de referencia. La elección del número de puntos es un compromiso entre la utilización racional de la información ofrecida por un campo visual (muchos puntos de referencia) y la rapidez del conteo (pocos puntos de referencia). La cifra ideal oscila entre 26 y 50 puntos. Por ejemplo el ocular integrador Zeiss contiene 25, el retículo de Merz con 36 y el de Weibel con 42.

TERCER PRINCIPIO

Si se cubre la superficie A compuesta por α y β con un retículo provisto de una red de puntos de referencia y se cuenta la cantidad de puntos Pα que corresponde al

componente α, se sabe que existe la relación P

PPp α= de puntos de referencia identica a la

relación de superficies A

AAA

αα = , ver figura 76. Por ejemplo si se usa un retículo de 36

puntos de referencia y se cuentan 9 campos visuales, ósea P = 9 x 36 = 324. Se observan 81 puntos (Pα = 81) sobre el componente α

25.0324

81 ===P

PPp α

se puede admitir que 25.0==A

AAA

αα . El componente α cubre la cuarta parte, es decir el

25% de la superficie total. Figura 76. Método de conteo de puntos para medición de superficies. Se conoce el número total de puntos que es igual al número del reticulo multiplicado por el número de campos visuales contados. Se calcula la proporción del volumen del componente α respecto al volumen total. Para un caso dado: Pα = 4 , Pp = 12, P = 16

25.016

4 ===P

PPp α

α

75.016

12 ===P

PPp

ββ

75.0

25.0

==

β

α

A

A

A

A= = = = = = = 25.0=== ααα PpAVv A

Aunque a primera vista este parece un enfoque muy simple, su efecto es de un alcance tan grande que el grado de precisión sólo depende del número de conteos.

Todos los resultados obtenidos por métodos estadísticos están sujetos a ciertas limitaciones pues los valores calculados pueden diferir levemente de los valores reales, si en el ejemplo anterior se realizaron varios análisis, no se obtendrá siempre el mismo valor de 0.25. Es por ello que es importante conocer el grado de validez de los resultados obtenidos. Para conseguirlo, se calcula el factor de dispersión de resultados (error medio o error relativo). Se puede establecer que de cada 100 medidas, las dos terceras partes de los resultados tendrán un valor comprendido entre σσ αα −+ PpPp y .

Ppα es el valor real y σ la dispersión. Para una dispersión de este tipo se puede utilizar la fórmula:

P

PpPp )1( αασ−

=

Para el ejemplo en consideración Ppα = 0.25

024.018

1875.0

324

)25.01(25.0==

−=σ

El resultado completo de la medición será: Ppα = 0.25 ± 0.24.

Esto quiere decir que para un número elevado de análisis del mismo objeto,

alrededor de 2/3 (exactamente 68.3%) de los resultados estarán entre 0.226 y 0.274. Si no sucede así, podría admitirse que el muestreo no ha sido regular o bien que el reparto de los componentes en cada muestra no es regular. Esta falta de homogeneidad se nota en forma dé una irregularidad denominada error sistemático.

Por lo general, la dispersión relativa α

αα

σPp

=l es un dato más útil que la

dispersión absoluta. La dispersión relativa es:

α

αα PpP

Pp

.

1−=l ; y para el ejemplo es:

096.09

75.0

25.0324

25.01 ==−=xαl

El resultado es 0.25 ± 9.6% Se observa que el error relativo depende del total de puntos P y de la fracción Ppα

correspondiente al componente α. Un aumento del número de puntos de referencia contados o una mayor proporción de puntos Ppα disminuyen el error. Inversamente, si el componen te considerado está presente en pequeñas cantidades, se deberán contar más puntos a fin de obtener resultados con un margen de error admisible.

Cuando se conoce el error medio admisible y la proporción apropiada del componente α, puede calcualrse la cantidad de puntos que será necesario contar, despejando P:

αα

α

Pp

PpP

.

12

l

−=

Si en el ejemplo anterior se quiere reducir el error medio a un 2% ( 02.0=αl ) se tendrian.

que contar:

7500101

75.0

25.00004.0

25.014

==−=−xx

P

O sea que sería necesario contar 7500 puntos en lugar de 324, es decir 208 campos visuales en lugar de 9. CUARTO PRINCIPIO

El error medio del conteo para el componente α es tanto mayor cuanto menor sea su volumen con relación al volumen total y cuanto menor sea el número de puntos contados (fiqura 77).

La exactitud del resultado aumenta cuando del conteo se hace no sobre un único corte o superficie pulida de una sola muestra, sino sobre varios. Por ejemplo una muestra

pulida de metal en la que se quiere determinar estereologicamente un componente (grafito), en Figura 77. Relación entre la dispersión (αl %) el número de puntos contados P y la

proporcionalidad respecto a Ppα ese caso las variaciones (dispersión cuadrática) del resultado final serán:

4321

2

321

2

21

2

1

2 4321)(

nnnnnnnnnnyV

llll +++= , donde

21l = Variación para cada muestra de metal; n1 número de muestras. 22l = Variación para cada superficie pulida; n2 número de superfi cies por muestra. 23l = Variación para cada campo visual; n3 número de campos visuales por cada superficie

pulida. 24l = Variación para cada punto contado; n4 número de puntos por campo visual.

Si se observa que el aumento del número de puntos por campo visual (n4) sólo afecta al cuarto elemento de la fórmula. Un aumento en el número de campos visuales contados influye sobre dos términos. Un aumento del número de muestras de metal, o al menos del número de superficies pulidas, disminuye considerablemente el valor de V(y). Estos procedimientos están en la norma ASTM E562-83 19.3 DETERMINACIOF4 DE LA SUPERFICIE DE UN CUERPO SÓLIDO.

Cuando la muestra examinada contiene un componente α que posee una superficie bien definida en las tres dimensiones (cuerpo sólido) dicha superficie se manifiesta sobre cada muestra pulida en forma de línea que encierra una superficie. La longitud de esta línea; calculada estadísticamente, permitirá determinar la superficie ocupada por el componente α dentro del cuerpo estudiado. La longitud total estas líneas para cada campo visual se puede determinar por mediciones sobre una microfotografía o una proyección. Pero la estereología permite reemplazar este engorroso método por un simple recuento. En la figura 78, seve la probabilidad de que la recta I corte la superficie α es igual a la relación h/H, para cualquier posición de I. Cada vez que la línea I corte la superficie α se obtienen dos .puntos de intersección (excepto en los puntos de tangencia). Si se utilizan una cantidad q de líneas. La probabilidad de la intersección será: 2qh/H Si en la ecuación se introduce la longitud total de las líneas de referencia L = qI. La probabilidad de intersección será:

H

h

I

LPL .2=α

Figura 78. Superficie de corte del componente medida. y línea de La densidad de superficie del componente α está dada por la relación entre la superficie total de α y el volumen del cuerpo que lo contiene.

SVα = V

Sα

Si el corte tiene un espesor T; el círculo α es la sección de un cilindro de altura T formada por el componente α. La superficie del cilindro es Sα = πhT El volumen considerado es V = IHT Por tanto la densidad de superficie del componente α es:

IH

h

IHT

hT

V

SSV

ππαα ===

O sea que:L

PS

IH

h LV 2

αα == y que:

IH

h

L

PS L

V

ππ αα ==

2, en este caso la densidad superficial se puede calcular con:

L

PS L

V 2α

απ

= . Esta relación es v aunque el cilindro se reemplace con otro cuerpo, pues la

cantidad de puntos de intersección aumenta proporcionalmente con la densidad de superficie. Si la densidad de puntos de intersección se define como

L

PN L

Vα

α = se tiene que: ααπ

LV NS .2

=

El caso general de la figura 79, se puede modelar con el caso más simple cuando el componente α no es un cilindro sino una esfera. La sección será una circunferencia de diámetro medio

rh2

π= (r = radio de la esfera)

Figura 79. La interfaz entre dos componentes es representada por una línea; conjunto de líneas de ensayo. Este radio es igual a la mitad del espesor de la sección: I=2r El volumen es IHt = IH2r. Figura 80.

Si en un campo visual se observan N círculos que representan cortes se N esferas, se sabe que el número de intersección será:

IH

rNL

IH

rNL

IH

NhLPL

ππα ===

222

IH

rN

L

PN L

L

παα == La su total de las esferas Sα es N4 π r2 y la densidad de superficie

IHr

rN

rIH

rN

V

SS L

22

22

4 ππαα ===

αα LV NLS 2= ó L

PLS L

Vα

α2

=

Figura 80. Método de puntos de intersección para la determinación de la densidad de superficie.

La ecuación anterior, que es muy usada solo és valida para esferas, para partículas distintas deben aplicarse las correcciones necesarias.

Para poliedros (cubos) cuando las líneas del retículo son paralelas a la arista:

αα LV Nh

S2

=

Y cuando son paralelas a una diagonal,

αα LV Nh

S22

=

Es claro que a excepción de los cuerpos esféricos, la relación entre αVS y αLN depende de

la forma de la-superficie medida, esta dependencia se debe establecer. En resumen, conociendo la densidad lineal NL, se puede calcular la relación

superficie volumen SV y así:

ααα VSSV /=

Para los componentes cuya sección no sea circular, el resultado depende de la orientación general de los componentes dentro del volumen total. Muchas microestructuras comunes tienen características que se pueden describir como un sistema de líneas orientadas en el espacio (esto es en toda la aleación). Ejemplos de ello son las inclusiones no metálicas alargadas, los eutécticos de barras y los arreglos orientados de dislocaciones. A veces la falta de anisotropía es menos visible y una orientación privilegiada del componente estudiado puede falsear los resultados sin que el analista se percate. Comparando dos resultados obtenidos con el retículo en posición distinta se puede detectar la orientación preferente. Si los dos resultados difieren en más del error medio admisible ello es indicio de que la estructura está orientada. En este caso en vez de usar el retículo de líneas paralelas, figura 80, se usa un retículo con cuadrícula, o un sistema en el cual las líneas de referencia del retículo son sinuosas tal como el diseñado por Merz, figura 81. Figura 81. Retículo de Merz

Cuando se quieren contar puntos e. intersecciones en un análisis se puede usar el retículo de Weibel; figura 82. Este es un sistema coherente en el sentido de que el número de puntos, la longitud de la línea de ensayo y el área total de ensayo estén todas relaciona das unas con otras; los extremos de las líneas se usan como conteos punto por punto (P).

El retículo de Weibel posee 21 líneas por campo visual o sea 42 puntos. La longitud

de una línea es Z, la longitud total para un campo visual es ZZP

ZL 212

42.

2=== . En este

caso;

P

PVV

αα = VVV V .αα =

V

SSV

αα = VSS VV αα =

α

α

α

α

V

V

V

S

V

S= αα LV NS 2=

L

PN L

Lα

α =

α

αα

α

α

α

ZP

N

P

PZP

N

V

S

L

L

4

4

=

=

ZP

PS L

Vα

α4

=

La última fórmula sólo es válida para los casos en que se cumple la ecuación

αα LV NS 2= , o sea componentes esféricos.

Figura 82. Retículo de Weibel.

Si se usa el reticulo de Weibel para examinar una fundición nodular atacada con nital 3. En este caso el número de campos visuales contados = 89. Número de puntos contados P = 89 x 42 = 3738. Puntos correspondientes al grafito Pg = 406 Puntos correspondientes a microhuecos Ph = 1188 Puntos correspondientes a la matriz Pm = 2144

Porcentaje de grafito 100p

Pgx= = 10.8%

Porcentaje de huecos 100p

Ph= = 31.8%

Volumen de la matriz = 574% 19.4 NUMERO DE PARTICULAS

Los parámetros descritos hasta ahora no dan indicación sobre la frecuencia de ocurrencia de los componentes investigados. Los datos pueden expresarse en términos, por ejemplo, de la fracción de una matriz ocupada por los nódulos de grafito y la relación superficie volumen de la fracción de nódulos o aún en una base absoluta como el volumen de nódulos por mm3 de matriz. sin embargo no se tiene idea del número de nódulos en la matriz o la distribución de tamaños. Para, determinar el número de partículas pertenecientes al componente α en un volumen dado, se han propuesto varias correlaciones. Todas incluyen algún factor relativo a la forma de la partícula que se debe determinar antes del recuento. Por ello, un conteo de partículas solamente tiene sentido estadístico si el componente estudiado aparece en partículas de forma casi idéntica.

Todos los métodos se basan en el conteo de puntos superpuestos a partículas dentro de un campo visual (figura 83). Para evitar computar dos veces las partículas cuyo centro se encuentra dentro del marco del retículo. También se pueden contar las partículas que se Figura 83. Método para conteo de partículas. encuentran dentro de 1 marco o bien las cortadas por los bordes superior y lateral izquierdo, despreciando las cortadas por los bordes inferior y lateral derecho (ver. figura 83). Si las partículas son uniformes en forma y tamaño, entonces se llega a una relación simple entre el número de intersecciones por área (NAi) y el número de partículas por unidad de volumen (NVi)

D

NN Ai

Vi =

donde D es el diámetro calibrado promedio de las intersecciones. Si la forma de las partículas no es esférica pero es conocida y constante, entonces se puede introducir un valor calculado de D . Si esto no se conoce se usan otras correlaciones más complejas. 19.5 ESTIMADO DEL TAMAÑO DE LA PARTICIJLA. -

Así como es posible determinar el número de partículas por unidad de volumen, también se puede con más trabajo, determinar el tamaño de partículas y la distribución de tamaños. Si se considera el sistema de la figura 84, una sección delgada (un plano) pasara aleatoriamente a través de partículas esféricas, que estarán representadas por intersecciones circulares. Hay varios métodos para obtener Figura 84. Una sección a través de un sistema que contenga partículas esféricas produce intersecciones circulares de diferentes diámetros. la distribución de tamaños de esferas a partir de la distribución de sus secciones planares. También hay procedimientos para partículas convexas de forma arbitraria, elipsoides, dodecaedros, grano de forma estadística y los espaciamientos en estructuras laminares. Aun que las ecuaciones para las partículas más simples dan soluciones estadísticas exactas, este no es el caso en los casos reales. Por esta razón, se requieren suposiciones, con la correspondiente perdida de precisión en los resultados.

Los tres principales tipos de mediciones que se hacen sobre secciones planares son los diámetros de las intersecciones, las áreas o las cuerdas, figura 85. A partir de la distribución bidimensional Figura 85. Representación esquemática de las medida que se hacen en secciones planas. se calcula la verdadera distribución especial. Generalmente todo lo que se necesita, para representar una curva de distribución de tamaño, es; el diámetro promedio D , la desviación estándar, σ(D) y el número total de partículas por unidad de volumen, NV. Los Procedimientos matemáticos sin embargo, están fuera del alcance de estas notas y deben consultarse en las referencias.

En la actualidad se pueden hacer medidas más precisas con aparatos automáticos, en algunos de ellos se ajusta un diafragma que mide el perfil de la partícula, la apertura del diafragma se registra y la información se procesa en un computador que da los resultados finales. En otros casos la imagen producida en un microscopio óptico es explorada con una cámara de televisión y los datos de la imagen se pasan a un computador que aplica la lógica de conteo y grabación adecuada; la imagen y los resultados se pueden exhibir en una pantalla de te televisión, o pasarse a un sistema de procesamiento de datos. En la figura 86, se muestra uno de tales instrumentos. Figura 86. Sistema para análisis de imágenes

En referencia a los microscopios electrónicos: El análisis de imágenes en TEM es

corriente, pero en SEM sólo pueden hacerse cálculos rudimentarios pues los analizadores automáticos de imagen para caracterización de superficies rugosas apenas se están desarrollando. 19.6 TAMAÑO DE GRANO

Una estructura metálica es un agregado de cristales tridimensionales de varios tamaños y formas. Aún en el caso de que todos los cristales fueran idénticos, las secciones con el plano de observación serían diferentes. Dos campos de observación no pueden ser

iguales, por eso el estimado del tamaño de grano no es medida precisa. La definición de diámetro es arbitraria, y se ha determinado es arbitraria, y se ha determinado según varios métodos.

El término Tamaño de Grano entonces designa las mediciones hechas de distinta manera empleando diversas unidades de longitud, área y volumen. De los varios sistemas, el más común en nuestro medio es el tamaño de grano ASTM llamado N y definido por:

12log

log+=

nN , n = 2N-1

donde n es el número de granos por pulgada cuadrada a l00x, en la notación usada aquí n = NA. Esto está definido en la norma ASTM E112-84.

Sin embargo, hay un parámetro general de longitud que da un valor libre de suposición y única para cualquier estructura que llene espacios, independientemente de forma, tamaño o posición.

Este parámetro es la longitud media de intersección L3 que se obtiene de medidas simples de las intersecciones L2 en el plano pulido. Por supuesto si se hacen muchas medidas L2 se convierte en el L3 real y tridimensional.

PM

L

N

IL

L

==3

Donde L y L son los términos usuales, así como P (número de inter secciones de límites de grano) y ri son los aumentos bajo los cuales se hace la observación. Cuando 13 se expresa en milímetros da el mismo valor que el procedimiento de intersecciones descrito en la especificación ASTM E112.

El método estándar E 112 incluye tres procedimientos básicos, el procedimiento comparativo, el procedimiento planimétrico y el procedimiento de intersecciones.

En el procedimiento comparativo la probeta preparada se observa en el microscopio y la imagen se proyecta, o se toma una fotomicrografía, a 100x y se realiza una comparación con una serie de gráficos preparados por la ASTM. El número del gráfico más parecido expresa el tamaño de grano N de la ASTM, los gráficos van del 1 al 8 pero en ciertos casos se extrapolen a 12, más elevado sea el número N más fino es el grano. En el acero se considera grano fino si el número es superior a 5. En la tabla se indican estas relaciones: - N 1 2 3 4 5 6 7 8 n 1 2 4 8 16 32 64 128 d .287 .203 .144 .101 .0718 .0507 .0359 .0254 d: Diámetro calculado de un grano esférico equivalente en mm, sin aumentos.

Este procedimiento debe ser aplicable para estimar el tamaño de grano austenítico en el acero ferrítico, después de un ensayo McQuaid-Ehn, tal como se explicará en 19.6.1.

El grano de los metales no férreos también se puede hallar comparativamente, cotejando la micro estructura a 75x con los patrones de la ASTM.

En el procedimiento de Jeffries o planimétrico se usa un círculo o rectángulo de 5000mm2 de área hecho sobre una foto o sobre el vidrio esmerilado de la pantalla de proyección. Los aumentos se seleccionan para que en el área haya granos. Después de trazar el circulo de 79.8mm de diámetro se cuentan los granos que caen dentro más la mitad de los intersectados por la circunferencia, este número es multiplicado por el factor f que

depende de los aumentos. Si 1 a 100x el número obtenido es 30, en la tabla se ve que f es 2.0, o sea que el número promedio de granos por milímetro cuadrado es:

30 x 2.0 = 60 M(aumentos) 1.0 10 25 50 75 100 150 200 f(factor) 0.0002 0,02 0.125 0.5 1.125 2.0 4.5 8.0 M 300 500 750 1000 1500 2000 f 18.0 50.0 112.5 200.0 450.0 800.0

Si se usan rectángulos en vez de círculos las dimensiones en mm pueden ser: 70.7 x 70.7, 65.0 x 77.0, 60 x 83.3, 55.0 x 91.0, 50.0 x 100.0, etc.

Los procedimientos por Intersección, incluyen al menos el del Intercepto 1ineal o de Heyn, y los interceptos circulares.

El método de Heyn consiste en contar, a determinados aumentos, el número de granos cortados por dos líneas de longitud conocida las cuales se dibujan en la pantalla de proyección. Las líneas son perpendiculares y una de ellas se orienta en la dirección de alargamiento de los granos. El tamaño de grano es el número de granos cortados por la unidad de longitud en las dos direcciones. El procedimiento ASTM E112 da indicaciones para hacer los cálculos.

En los procedimientos con Interceptos circulares se usan: el de tres círculos de Abrams y el de un sólo círculo de Hilliard.

En el metodo de Hilliard se puede usar cualquier circulo de circunferen conocida. El círculo se aplica sobre la pantalla a un aumento dado y se cuenta el número de granos interceptados en cada medida y se suman hasta lograr unas 35. El tamaño de grano G se calcula G = 10 - 6.64 log L3 (cm) recordando que L3 = L /PM. Si en un caso se usa un círculo de 10 cms y se aplica cuatro veces a una microestructura a 250x, se cuentan 36 intersecciones, entonces

6.525036

40log64.610 =

−−=x

G Así el tamaño de grano equivalente se obtiene

directa y eficientemente pues no se cuentan más intersecciones de la necesarias. 19.6.1 TAMAÑO DE GRANO AUSTENITICO

En este espacio no es posible reseñar siquiera la importancia que tiene el tamaño de grano en las propiedades de los aceros, pero es tan esencia] que su medida es fundamental. Sin embargo, la austenita sólo existe por encima de la temperatura crítica y por ello es necesario encontrar tratamientos que puedan hacer observables los granos a temperatura ambiente.

En 1os aceros al carbono hipoeutectoides con 0.25 el ensayo consiste en calentar una probeta y luego enfriarla al aire. La temperatura de calentamiento es la de austenización para el temple. En el enfriamiento, la ferrita delinea los granos de perlita. En general este método sirve para todos los aceros hipoeuatetoides a excepción de los cementables.

En los aceros entectoides que no dan red de ferrita, se usa una probeta de 10 a 15mm de diámetro y unos l00mm de largo que se calientan y templan introduciendo sólo un extremo en agua. As entre la zona totalmente martensítica la totalmente perlítica se encuentra una donde los nódulos de perlita fina delinean los granos de martensita.

Los aceros eutectoides también se pueden ensayar como los templados. Después del temple se ataca con reactivo de Vilella que contrasta la orientación de los granos y permite determinar su número y tamaño.

En los aceros hipereutectoides es muy fácil delinear los granos precipitando cementita proeutectoide, después de calentar y enfriar lentamente.

En los aceros de cementación se usa el ensayo de McQuaid-Ehn. El acero se cementa a 125 durante 8h y se enfría mientras está todavía empacado en el medio cementante. Este ensayo d una indicación de la susceptibilidad del acero al crecimiento de grano durante la cementación. Al enfriar lentamente los carburos se precipitan en los l de grano delimitándolos.

Por otro lado, se ha encontrado que cuando el acero templado se fractura, es común que la superficie de la fractura siga los límites de grano austeníticos que existieron entes del temple. Es por ello que un estudio de esta superficie de fractura debe dar una indicación del grano austenítico. Para usarse con esto existe una escala constituida por una serie de piezas endurecidas y fracturadas, numeradas de 1 a 10. ( la No es la más grosera y la No 10 la más fina). Hay dos escalas de este tipo la de Sheperd y la de la Jerkontoret (Institución Sueca de Normas). En la práctica estas dos escalas se pueden considerar idénticas. La correlación entre el número de grano ASTM y el de la Jerkontoret se ve en la Figura 87.

Hay otros métodos para revelar el grano austenítico como el ataque por el calor y la

oxidación de los límites, pero estos son muy específicos y deben consultarse en la literatura técnica, parte de la r cual se presenta en las referencias usadas para este resumen. FIGURA 87. Correlación entre los tamaños de grano ASTM y Jerkontoret

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