Fundamentos de la Metalografia y Materialografia

Un material metlico examinado al nivel de Microscopa ptica o electrnica, menor de 5000 aumentos, no es un medio continuo sino un ensamblado de compuestos qumicos, de tipo inico, y fases, soluciones slidas metlicas, que se asemeja a un empedrado rstico de sillera.Puede definirse la Metalografa como la tcnica que revela la organizacin espacial de fases y compuestos que conforman un material metlico.Igualmente, puede definirse la Materialografa cuando se aplica a cualquier material.A partir de su propia definicin, la Metalografa puede resolver:a) Los diversos compuestos y fases.b) Las diferentes formas y tamaos que adoptan en la estructura.c) Las diversas configuraciones entre las fases y compuestos.El campo de aplicacin de la Metalografa y materialografa es amplsimo. No slo es herramienta bsica requerida para la caracterizacin de los metales y aleaciones sino tambin lo es para materiales compuestos de matriz metlica o de fibras metlicas; as como en los materiales cermicos, compuestos o no.En el captulo de resumen ampliaremos las posibles aplicaciones de la metalografa, una vez conocidos los principios de la misma.2.1 ANLISIS DE LA TCNICA METALOGRFICALos ensayos metalogrficos requieren la ejecucin de las etapas siguientes:a) Seleccin de la muestra.b) Preparacin de las probetas.c) Observacin de las probetas.d) Tratamiento de la informacin.

Figura 3.1.Tronzadora para corte de muestras.La SELECCION DE LA MUESTRA rene tanto su dimensionamiento como la ubicacin de las probetas y es funcin del objetivo de la investigacin o control de calidad.La muestra escogida debe satisfacer las condiciones de amplitud y representatividad estadstica, ms cuando la dimensin de la probeta unitaria se reduce a unos pocos milmetros.Si corresponde a un control rutinario, la seleccin es por mtodos aleatorios. Si, por el contrario, se investiga la causa de un fallo, la probeta debe ser tan prxima como se pueda a su hipottico origen.La probeta puede tener cualquier forma y dimensiones equivalentes a un paralelepdedo 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 podra modificar el estado del material a ensayar. Las razones de esta alteracin, por flujo trmico, se expondrn en unidades posteriores, para evitarlo se emplean equipos de precisin, figura 3.2.

Figura 3.2.Equipo de corte de precisinLa etapa de PREPARACION DE LA PROBETA corresponde a un proceso de trabajo ejecutado sobre la misma, que ha de permitir la observacin de las peculiaridades de la estructura investigada, por medio del microscopio.Existen dos modos principales de preparacin:a) por va mecnica, figura 3.3, yb) por va electroltica. Ambos mtodos sern desarrollados minuciosamente en las experiencias de esta unidad. En ambos casos puede requerirse el montaje de la probeta metlica sobre un soporte plstico, conseguido por proceso de embuticin a baja temperatura en una prensa hidrulica.

La etapa de OBSERVACION MICROSCOPICA corresponde al anlisis

Figura 3.3. a) Equipo de desbaste con disco abrasivo, b) Equipo de pulido semiautomtico con abrasivos

propiamente dicho de la imagen resuelta bien en el microscopio ptico metalrgico o bien en el electrnico de barrido. En los cursos de metalografa y microscopa puede profundizarse en estos instrumentos. No obstante reproduciremos los conceptos bsicos ms importantes.2.2 EL MICROSCOPIO PTICO METALRGICOEn comparacin con uno de tipo biolgico, el microscopio empleado habitualmente para materiales difiere en la manera en que la muestra es ilumina-da. Como una muestra metalogrfica 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 travs del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta luz incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplificar al pasar a travs del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuar hacia arriba a travs del reflector de vidrio plano; luego, una vez ms lo amplificar el sistema superior de lentes, el ocular.a)AUMENTOS. Se denomina aumento del microscopio (Am) a la relacin sobre el tamao de la imagen y el del objetivo.D1 = distancia entre el ocular y la pantalla de proteccin,D2 = distancia entre el ocular y objetivo,M1 = aumento propio del ocular,M2 = aumento propio del objetivo,La amplificacin total es funcin del producto de los aumentos del ocular y del objetivo.Am = (D1/D2) M1 M2 (3.1)

Figura 3.4 Microscopio metalrgico con el trazado del haz luminoso a travs del sistema ptico.

b)PODER DE RESOLUCION. Se define como la capacidad de un objetivo para producir imgenes separadas y distintas de dos detalles del objeto muy prximos. Es funcin directa de la longitud de onda,de la luz incidente e inversa del ndice de refraccin del medio, n, y del ngulo de semiabertura de la lente objetivo, u. El poder de resolucin queda cuantificado por medio de la distancia mnima, 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 expresin:d =/2 n u (3.2)en donde las unidades de d son las mismas que las de.Se deduce que podemos ganar en resolucin, slo por la inmersin de la muestra en lquidos de mayor ndice de refraccin, n, que el aire, pues no nos es posible iluminar con mayoresque adems sean perceptibles por el ojo humano.No obstante, en la microscopa ptica suele emplearse distintos tipos de iluminacin que la luz blanca, pues si bien no aportan mayor resolucin si permiten facilitar la separacin de los incidentes observables. Citamos entre ellos:a) Campo oscuro.b) Luz polarizada.c) Tcnica de Nomarsky.las que se desarrollarn en las experiencias con mayor profusin.Por ltimo, el poder de resolucin del microscopio puede quedar limitado por el propio poder de resolucin del ojo del observador, d0, que podemos fijar como media de 0.15 mm. En efecto, el poder de resolucin del ojo, d0, y la mxima amplificacin, Am, del microscopio limita el poder de resolucin, d, hasta el valor definido por la expresin:d (mm) = 0.15 (mm)/Am (3.3)c)PROFUNDIDAD DE CAMPO, e, tambin denominada penetracin o resolucin vertical del objetivo, es la capacidad de dar imgenes ntidamente 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 ndice de refraccin, n, del medio y al ngulo de semiabertura del objetivo, u, es decir:e = f(1/M2 n u) (3.4)

2.3 MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO (MEB)Hemos visto en el microscopio ptico las variables del poder de resolucin. Para casos extremos del campo usual, n = 1.9,= 4000 y u = 72, llegamos a un poder de resolucin mximo del orden de 0.15 micras.Con el microscopio electrnico se puede aumentar el poder de resolucin utilizando la onda asociada al haz corpuscular homocintico producido por los electrones acelerados en un campo elctrico. La longitud de onda es:h/m v (3.5)siendo: h = la constante de Planck. m = La masa del electrn. v = su velocidad.El valor devara con la tensin de aceleracin electrnica aplicada. Para una tensin de 50 KV, este valor es de 0.055 ; para una tensin de 100 KV es de 0.0387 , y cuando la tensin es de 106 voltios, caso excepcional,= 0.0123 .El poder de resolucin viene limitado, sin embargo, por el pequeo valor de la abertura del microscopio, impuesto por las aberraciones de las lentes electrnicas. Puede alcanzar actualmente 5 e incluso 3 . Esta dbil abertura proporciona al microscopio electrnico una gran profundidad de campo, que es otra de sus ventajas frente al ptico.Existen diferentes tipos de microscopios electrnicos, entre los que destacamos el de transmisin, TEM, y el de barrido o scanning, MEB, SEM.

Figura 3.5. Esquema del microscopio electrnico y ptico.

En el microscopio de transmisin, el haz electrnico debe atravesar la probeta a examen, lo que no es posible en las probetas metlicas normales.Por contra, en el microscopio de barrido, usado en metalografa, la imagen es reconstruida, punto por punto, sobre la pantalla de un oscilgrafo catdico, mientras el objeto es barrido sincrnicamente por una sonda electrnica fina, con un dimetro entre los 1000 y 100 . El brillo de la imagen del oscilgrafo viene graduado por una seal constituida generalmente por electrones secundarios y retrodispersados. En la figura 3.5 se observa la similitud funcional entre los microscopios ptico y electrnico.