Unidad 3. Estructura de los materiales. Imperfecciones
2- Fundamentos de la Metalografia y Materialografia
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Fundamentos de la Metalografia y Materialografia
Un material metálico examinado al nivel de Microscopía óptica o electrónica, menor de 5000 aumentos, no es un medio continuo sino un ensamblado de compuestos químicos, de tipo iónico, y fases, soluciones sólidas metálicas, que se asemeja a un empedrado rústico de sillería.

Puede definirse la Metalografía como la técnica que revela la organización espacial de fases y compuestos que conforman un material metálico.

Igualmente, puede definirse la Materialografía cuando se aplica a cualquier material.
A partir de su propia definición, la Metalografía puede resolver:

a) Los diversos compuestos y fases.
b) Las diferentes formas y tamaños que adoptan en la estructura.
c) Las diversas configuraciones entre las fases y compuestos.
El campo de aplicación de la Metalografía y materialografía es amplísimo. No sólo es herramienta básica requerida para la caracterización de los metales y aleaciones sino también lo es para materiales compuestos de matriz metálica o de fibras metálicas; así como en los materiales cerámicos, compuestos o no.

En el capítulo de resumen ampliaremos las posibles aplicaciones de la metalografía, una vez conocidos los principios de la misma.
 

2.1 ANÁLISIS DE LA TÉCNICA METALOGRÁFICA

Los ensayos metalográficos requieren la ejecución de las etapas siguientes:

a) Selección de la muestra.
b) Preparación de las probetas.
c) Observación de las probetas.
d) Tratamiento de la información.

Figura 3.1.Tronzadora para corte de muestras.
La SELECCION DE LA MUESTRA reúne tanto su dimensionamiento como la ubicación de las probetas y es función del objetivo de la investigación o control de calidad.

La muestra escogida debe satisfacer las condiciones de amplitud y representatividad estadística, más cuando la dimensión de la probeta unitaria se reduce a unos pocos milímetros.

Si corresponde a un control rutinario, la selección es por métodos aleatorios. Si, por el contrario, se investiga la causa de un fallo, la probeta debe ser tan próxima como se pueda a su hipotético origen.

La probeta puede tener cualquier forma y dimensiones equivalentes a un paralelepídedo de 5 a 15 mm de lado.

La EXTRACCION DE LA PROBETA desde la pieza, o producto a ensayar, se realiza mediante corte, manual o con equipo especializado, tronzadora, figura 3.1. En cualquier caso debe evitarse cualquier posible calentamiento pues podría modificar el estado del material a ensayar. Las razones de esta alteración, por flujo térmico, se expondrán en unidades posteriores, para evitarlo se emplean equipos de precisión, figura 3.2.

Figura 3.2.Equipo de corte de precisión
La etapa de PREPARACION DE LA PROBETA corresponde a un proceso de trabajo ejecutado sobre la misma, que ha de permitir la observación de las peculiaridades de la estructura investigada, por medio del microscopio.

Existen dos modos principales de preparación: 

a) por vía mecánica, figura 3.3, y 
b) por vía electrolítica. Ambos métodos serán desarrollados minuciosamente en las experiencias de esta unidad. En ambos casos puede requerirse el montaje de la probeta metálica sobre un soporte plástico, conseguido por proceso de embutición a baja temperatura en una prensa hidráulica.

La etapa de OBSERVACION MICROSCOPICA corresponde al análisis 

Figura 3.3. a) Equipo de desbaste con disco abrasivo, b) Equipo de pulido semiautomático con abrasivos
propiamente dicho de la imagen resuelta bien en el microscopio óptico metalúrgico o bien en el electrónico de barrido. En los cursos de metalografía y microscopía puede profundizarse en estos instrumentos. No obstante reproduciremos los conceptos básicos más importantes.
 

2.2 EL MICROSCOPIO ÓPTICO METALÚRGICO

En comparación con uno de tipo biológico, el microscopio empleado habitualmente para materiales difiere en la manera en que la muestra es ilumina-da. Como una muestra metalográfica es opaca a la luz, la misma debe ser iluminada por luz reflejada. Como se observa en la figura 3.4, un haz de luz horizontal, de alguna fuente de luz, es reflejado por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo a través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta luz incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al pasar a través del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuará hacia arriba a través del reflector de vidrio plano; luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de lentes, el ocular.

a) AUMENTOS. Se denomina aumento del microscopio (Am) a la relación sobre el tamaño de la imagen y el del objetivo.

D1 = distancia entre el ocular y la pantalla de protección,
D2 = distancia entre el ocular y objetivo,
M1 = aumento propio del ocular,
M2 = aumento propio del objetivo,
La amplificación total es función del producto de los aumentos del ocular y del objetivo.

Am = (D1/D2) M1 M2                      (3.1)


Figura 3.4 Microscopio metalúrgico con el trazado del haz luminoso a través del sistema óptico.
b) PODER DE RESOLUCION. Se define como la capacidad de un objetivo para producir imágenes separadas y distintas de dos detalles del objeto muy próximos. Es función directa de la longitud de onda, l de la luz incidente e inversa del índice de refracción del medio, n, y del ángulo de semiabertura de la lente objetivo, u. El poder de resolución queda cuantificado por medio de la distancia mínima, d, entre dos detalles que son observados o resueltos por el microscopio. Para el caso de haz incidente ancho paralelo en el objeto, se cumple la expresión: 

d = l/2 n u                               (3.2)

en donde las unidades de d son las mismas que las de l.

Se deduce que podemos ganar en resolución, sólo por la inmersión de la muestra en líquidos de mayor índice de refracción, n, que el aire, pues no nos es posible iluminar con mayores l que además sean perceptibles por el ojo humano.

No obstante, en la microscopía óptica suele emplearse distintos tipos de iluminación que la luz blanca, pues si bien no aportan mayor resolución si permiten facilitar la separación de los incidentes observables. Citamos entre ellos:

a) Campo oscuro.
b) Luz polarizada.
c) Técnica de Nomarsky.
las que se desarrollarán en las experiencias con mayor profusión.

Por último, el poder de resolución del microscopio puede quedar limitado por el propio poder de resolución del ojo del observador, d0, que podemos fijar como media de 0.15 mm. En efecto, el poder de resolución del ojo, d0, y la máxima amplificación, Am, del microscopio limita el poder de resolución, d, hasta el valor definido por la expresión:

d (mm) = 0.15 (mm)/Am                     (3.3)

c) PROFUNDIDAD DE CAMPO, e, también denominada penetración o resolución vertical del objetivo, es la capacidad de dar imágenes nítidamente enfocadas, cuando la superficie del objeto no es completamente plana. La profundidad de campo es inversamente proporcional a los aumentos propios del objetivo, M2, al índice de refracción, n, del medio y al ángulo de semiabertura del objetivo, u, es decir:

e = f(1/M2 n u)                                   (3.4)


2.3 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (MEB)

Hemos visto en el microscopio óptico las variables del poder de resolución. Para casos extremos del campo usual, n = 1.9, l = 4000 Å y u = 72º, llegamos a un poder de resolución máximo del orden de 0.15 micras.

Con el microscopio electrónico se puede aumentar el poder de resolución utilizando la onda asociada al haz corpuscular homocinético producido por los electrones acelerados en un campo eléctrico. La longitud de onda es:

l= h/m v                        (3.5)

siendo:       h = la constante de Planck.
                  m = La masa del electrón.
                   v = su velocidad.

El valor de l varía con la tensión de aceleración electrónica aplicada. Para una tensión de 50 KV, este valor es de 0.055 Å; para una tensión de 100 KV es de 0.0387 Å, y cuando la tensión es de 106 voltios, caso excepcional, l = 0.0123 Å.

El poder de resolución viene limitado, sin embargo, por el pequeño valor de la abertura del microscopio, impuesto por las aberraciones de las lentes electrónicas. Puede alcanzar actualmente 5 e incluso 3 Å. Esta débil abertura proporciona al microscopio electrónico una gran profundidad de campo, que es otra de sus ventajas frente al óptico.

Existen diferentes tipos de microscopios electrónicos, entre los que destacamos el de transmisión, TEM, y el de barrido o scanning, MEB, SEM.


Figura 3.5. Esquema del microscopio electrónico y óptico.

En el microscopio de transmisión, el haz electrónico debe atravesar la probeta a examen, lo que no es posible en las probetas metálicas normales.

Por contra, en el microscopio de barrido, usado en metalografía, la imagen es reconstruida, punto por punto, sobre la pantalla de un oscilógrafo catódico, mientras el objeto es barrido sincrónicamente por una sonda electrónica fina, con un diámetro entre los 1000 y 100 Å. El brillo de la imagen del oscilógrafo viene graduado por una señal constituida generalmente por electrones secundarios y retrodispersados. En la figura 3.5 se observa la similitud funcional entre los microscopios óptico y electrónico.


 
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