ANLISIS MICROESTRUCTURAL: SU APLICACIN AL ANLISIS DE FALLAS Y VIDA RESIDUAL

INDICE

PRLOGO

-

I. - ANLISIS MICROESTRUCTURAL

I.1. INTRODUCCIN

I.2 . MICROSCOPA PTICA

I.2.1 - Poder de Resolucin. El Microscopio ptico

I.3 - EL MICROSCOPIO ELECTRNICO DE TRANSMISIN

I.3.1 - Imgenes Electrnicas

I.3.2 - Contraste Electrnico

I.3.3 - Preparacin de Lminas Delgadas

I.4 - EL MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO

I.4.1 - Microanlisis Electrnico

I.4.2 - Mapas de Distribucin de Rayos X

I.5 - ANALISIS DE SUPERFICIES

I.5.1 - XPS (X-RayPhotoelectronSpectroscopy)

I.5.2 - AES (Auger Electrn Spectroscopy)

I.5.3 - UPS (UltravioletPhotoelectronSpectroscopy)

I.6 - TCNICAS DE DIFRACCIN DE RAYOS X

I.6.1 - Mtodos de Cristal nico.

I.6.2 - Muestras Policristalinas

I.6.3 - El Difractmetro de Rayos X.

I.6.4 - Anlisis Radiocristalogrfico.

I.6.5 - Orientaciones Preferenciales. Texturas de Fibra y Chapa.

I.6.6 - Determinacin de Tensiones Residuales

I.7 MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA

I.7.1 - Principios de Funcionamiento

I.7.2 - Modos de Operacin : esttico, dinmico, tappng

I.7.3 - Aplicaciones

PRLOGO Un gran porcentaje de plantas industriales (centrales termoelctricas, plantas qumicas y petroqumicas, etc.)estn operando ms all del tiempo de vida de diseo (30- 40 aos).Debido a la poca construccin de nuevas plantas en estos ltimos aos, este porcentaje ser mucho mayor en la prxima dcada. Por otra parte es de gran inters, de las empresas propietarias, de prolongar la vida til de sus plantas por otros 30 o 40 aos. Los factores que tienen en cuenta son:

1) El alto costo de las nuevas instalaciones y por consiguiente la disminucin de su fuente de capital.

2) Tiempo de construccin de la nueva planta.

3) Inversin de riesgo por la dificultad de estimar la demanda futura.

4) Limitada disponibilidad de sitios para la instalacin de nuevas plantas.

5) Nuevas y estrictas regulaciones: control ambiental y seguridad.

6) Aumento del conocimiento de las tcnicas de extensin de vida.

Diferentes estudios mostraron que, el costo de extensin de vida, de una planta tpica termoelctrica, alcanza slo el 20 al 30% del costo de construccin de una nueva y que la relacin costo beneficio es an mucho mayor. Estudios similares para otro tipo de planta no estn disponibles.

El desarrollo de mtodos de extensin de vida sirve, no slo a extender la vida de una planta industrial sino, tambin a mejorar su eficiencia y disponibilidad

Por ejemplo, basado en consideraciones de mecnica de la fractura, ha sido posible extender el intervalo de inspeccin de modernos rotores de turbinas de 6 a 10 aos, con el beneficio econmico que esto significa.

Tambin contribuye al establecimiento de nuevos programas de inspeccin, procedimientos de mantenimiento y de operacin.

La capacidad, confiabilidad, eficiencia, disponibilidad y seguridad de una planta depende fundamentalmente de la integridad de sus componentes y materiales empleados.

Generalmente, la falla de los componentes comprende dos etapas (Fig. 1), la primera est relacionada con la nucleacin de la fisura y la segunda con el crecimiento de la misma.

Fig. 1

Fig. 1: Tamao de fisura - tiempo en servicio

ac: tamao crtico de fisura en un componente no degrado

Curva A: disminucindeacconsecuencia de la degradacindel material

Curvas B: Disminucin del tiempo de vida debido a distintos factores (corrosin, exceso de temperatura , fatiga, etc)

1: Etapa de nucleacin de la fisura

2. Etapa de crecimiento de la fisura hasta alcanzar el valor crticoac

La Etapa 1, corresponde al dao incipiente del material que va a conducir a la iniciacin de la fisura. Este dao incluye una serie de eventos: reordenamiento de dislocaciones, coalescencia de precipitados, nucleacin de cavidades y microfisuras.La deteccin de esta Etapa es fundamental en aquellos materiales de baja tenacidad. Las tcnicas no destructivas capaces, potencialmente, de detectar estos daos son: microscopa electrnica de transmisin, rplicas, difraccin de rayos X, resistividad elctrica, aniquilacin de positrones, ultrasonido (medida de la velocidad) y microdureza

La Etapa 2 corresponde a la propagacin de la fisura. Al contrario de la anterior, esta etapa adquiere una gran importancia en aquellos materiales que presentan buena tenacidad. Esta puede ser detectada generalmente, desde su crecimiento hasta su tamao crtico, por ensayos no destructivos convencionales talescomo: partculas magnticas, tintas penetrantes, radiografas, ultrasonido, etc. El tamao crtico de la fisura, determinado a priori por algunos de los mtodos existentes, es a menudo variable. Este decrece durante el servicio por problemas de disminucin de la tenacidad del material.

Por otra parte, durante el servicio, varios factores pueden producir la aceleracin de la Etapa 2 (velocidad de crecimiento de la fisura): envejecimiento, corrosin, hidrgeno, oxidacin, etc.Esto va a producir la disminucin del tiempo de vida del componente.

Resumiendo:

ETAPA 1

Reordenamiento de dislocaciones

Nucleacin de fisuras Coalescencia de precipitados

Microcavidades

Deteccin

Microscopa electrnica de transmisin

Rayos X

Resistividad

Rplicas

ETAPA2

Crecimiento de las fisuras

Deteccin Ensayos no destructivos convencionales

Rplicas

En el presente trabajo se analizaran algunos de los fenmenos de degradacin de los materiales metlicos y las tcnicas de estudio microestructural empleadas para el anlisis y prevencin de fallas y vida residual

CAPTULO I Revisar N figuras en el texto N de tems y agregar , al final , bibliografa

I ANLISIS MICROESTRUCTURAL

I.1. INTRODUCCIN

Recordemos que ciertas propiedades de los materiales estn relacionadas con su composicin qumica (tipo de tomos, tipo de enlace, estructura cristalina) como ser:

Temperatura de fusin Mdulo de elasticidad Densidad Coeficiente de dilatacin trmica

Mientras que otras propiedades estn ms relacionadas con los procesos de fabricacin del componente (fundicin, solidificacin, deformacin plstica, tratamientos trmicos,etc.)

Plasticidad Tenacidad Resistencia mecnica Corrosin

Por otra parte la microestructura del componente puede cambiar durante el servicio esto puede producir la falla prematura del mismo y/o el acortamiento de su vida til.

Es por esto que el anlisis microestructural es una herramienta muy valiosa para:

Seguir el dao que est sufriendo un componente durante el servicio y estimar la vida remanente del mismo.

Realizar el anlisis de falla de un componente. Diversos tipos de instrumentos permiten estudiar la microestructura de los materiales. Debemos destacar que si bien la eleccin del instrumento a utilizar es funcin de los detalles microestructurales que uno necesite observar, las diversas tcnicas existentes (como lo veremos al final de este captulo) son complementarias

I.2. MICROSCOPAPTICA I.2.1 INTRODUCCIN

La observacin, mediante microscopios pticos, de la microestructura de materiales opacos tales como los metales y cermicos debe realizarse, por reflexin de la luz, sobre la superficie de la muestra preparada especialmente para este examen. (Fig. I.1 y Fig.I.2)

Fig.I.1 Esquema de formacin de imgenes en un microscopio ptico compuesto. Se

muestra la trayectoria de los rayos del sistema ptico, desde el objeto hasta la imagen virtual final

En la figura I.2 se puede observar un microscopio ptico marca Leica modelo M5000 de platina invertida y un diagrama del camino ptico que recorre la luz

Figura I.2

I.2.2 PODER DE RESOLUCIN. EL MICROSCOPIO PTICO

El ojo humano puede llegar a distinguir (resolver) objetos separados por unos 0,1 mm. Este lmite en el poder de resolucin del ojo humano se debe al fenmeno de la difraccin de la luz por el ojo.

El microscopio ptico es el instrumento que permite sobrepasar este lmite y la resolucin entre dos puntos est dada por la expresin

sennr 61.0=

donden es el ndice de refraccin del medio situado entre la muestra y la lente objetivo. Por ejemplo, en un microscopio dotado de un objetivo de inmersin

= 0.5 m n = 1.5 sen = 0.95

y reemplazando estos valores en la expresin anterior se obtiene finalmente como valor mximo de la resolucin obtenible en un microscopio ptico moderno

r = 0.2 m

Los microscopios pticos diseados a fines del siglo pasado ya haban alcanzado esta resolucin, con magnificaciones del orden de los 1000x. Sin embargo, aun mejorando la tecnologa de la construccin de lentes pticas, el fenmeno de la difraccin de la luz, como el de toda radiacin electromagntica, es el que limita finalmente el poder de resolucin de un microscopio ptico.

Una mejora en la resolucin solo se podra obtener utilizando radiacin de longitud ms corta. El microscopio de luz ultravioleta ( = 0.2 m), tambin denominado ultramicroscopio, constituye actualmente el lmite de la microscopa ptica ( r = /2 = 0.1m).

Fig.I.3 Esquema de los rangos de aumentos y resolucin de las observaciones en microscopa ptica y electrnica.

Para realizar el anlisis de la microestructura, mediante la utilizacin del microscopio ptico, es necesario tomar una muestra del componente a examinar. Por lo tanto se trata de un anlisis destructivo.

La toma de las muestras es una operacin muy importante. Primero se debedeterminar el nmero de muestras a examinar y luego seleccionar los lugares donde se tomarn las muestras. El nmero de muestras y los lugares dependern del tipo de estudio a realizar: anlisis de una falla, control rutinario de un proceso de fabricacin (laminacin, fundicin), investigacin y/o desarrollo tecnolgico, etc.

Una muestra slo tiene valor en la medida que represente bien al material del cual proviene. Por esto es necesario prestar mucha atencin al modo de tomar la muestra y sobre todo el lugar donde se toma la muestra. Sin estos recaudos, el anlisis realizado carecer de valor.

Un punto muy importante a tener en cuenta es la forma en que se obtiene la muestra. En la operacin de corte es necesario tomar ciertos recaudos, indispensables, para que la muestra refleje verdaderamente lo que es el material. Por este motivo es necesario:

Reducir al mximo el dao por deformacin producido como consecuencia de esta operacin.

Es Imprescindible eliminar la deformacin producida por el corte antes de la observacin

Evitar el posible calentamiento de la muestra durante la operacin. Una lubricacin adecuada da como resultado una buena extraccin de calor,haciendo mnimo el calentamiento de la muestra

Calentamientos grandes dan lugar a cambios importantes de la microestructura del material. En otras palabras el SOPLETE ESTA PROHIBIDO. En caso de que no hubiera otra forma de hacerlo es necesario cortar con el soplete un trozo grande y luego realizar otros cortes ms pequeos, con otra herramienta, lejos de la zona daada por el calentamiento.

Para ser observadas las muestras deben recibir una preparacin especial. Dicha preparacin, tiene por objeto dejar la superficie de la muestra plana y libre de deformacin plstica

I.3. EL MICROSCOPIO ELECTRNICO DE TRANSMISIN

En la dcada de 1920 las experiencias de Davisson y Germer permitieron comprobar el postulado formulado por De Broglie en 1924, segn el cual un haz de partculas aceleradas posee tambin naturaleza ondulatoria en ciertas condiciones, siendo la longitud de onda asociada a cada partcula inversamente proporcional a su energa

vmh

=

Dondeh es la constante de Planck, m la masa, y v la velocidad de la partcula. De esta manera, un haz de electrones acelerado por un potencial de 100 kV es equivalente a una radiacin de longitud de onda igual a 0.037 . Este valor es mucho menor que el correspondiente a la luz visible, y menor an que la longitud de onda de los Rayos X. Entonces, la resolucin alcanzable por algn tipo de instrumento que permitiera obtener imgenes focalizadas por medio de un haz de electrones, por ejemplo utilizando lentes magnticas, sera del orden de los 3 a 4 . Actualmente la resolucin de un instrumento de ltima generacin es de unos 1.9 (0.19 nm).Figura I.4

Figura I.4Microscopio electrnico Philips

El microscopio electrnico por transmisin se basa en el siguiente esquema de funcionamiento. La fuente de electrones es un filamento de tungsteno caliente que emite electrones por efecto termoinico. Estos electrones son acelerados por un nodo polarizado con una alta tensin positiva (100-200 kV). Un sistema de lentes magnticas condensadoras focaliza este haz sobre una zona dada de la muestra, efecto ste equivalente a "iluminar" la muestra en el caso ptico. Debajo de la muestra, que debe ser una lmina delgada, otra lente magntica denominada "objetivo" forma una imagen electrnica magnificada en un factor 100 x. Esta primer imagen es aumentada por una o dos lentes intermedias y la lente final

denominada "proyectora", esta ltima equivalente al ocular de un sistema ptico. Los electrones que forman la imagen final magnificada, inciden finalmente sobre una pantalla fluorescente, una cmara CCD o una placa fotogrfica, donde se hacen visibles al ojo humano.

I.3.1 IMGENES ELECTRNICAS

Se denomina micrografa electrnica al registro de las intensidades (cantidad de electrones) transmitida a travs de la muestra observada. Si los electrones de un haz monoenergtico inciden sobre una lmina delgada, sern ms o menos absorbidos segn la zona particular de la muestra que atraviesan. El sistema de lentes magnticas reproduce sobre la pantalla de observacin del microscopio esta distribucin de intensidades aumentada convenientemente. El objetivo final de las observaciones de la microscopa electrnica es relacionar esta imagen electrnica, o contraste, con la naturaleza y estructura de la muestra observada.

I.3.2 CONTRASTE ELECTRNICO

Segn que la lmina delgada est compuesta por un material amorfo o cristalino, las imgenes se originan en mecanismos de contraste por difusin o contraste por difraccin.

Contraste por Difusin. Es el responsable de la formacin de las imgenes electrnicas de todo tipo de materiales amorfos, rplicas de carbono, o muestras biolgicas. Un caso tpico es el de un material amorfo que contiene en su interior partculas de un material ms denso frente al haz electrnico. La zona del haz incidente que incide sobre estas partculas perder ms electrones por absorcin, y el contraste correspondiente observado sobre una pantalla fluorescente ser una sombra oscura en medio de un fondo ms claro.

Contraste por Difraccin. Es el responsable de la formacin de las imgenes electrnicas de todo tipo de materiales cristalinos. Si una lmina delgada de un cristal est orientada de tal manera que haz de electrones satisface la Ley de Bragg

=send2

para una familia de planos cristalinos, se origina un haz difractado. Si por medio de una apertura solamente el haz transmitido es amplificado por las lentes magnticas del microscopio, se tendr en la pantalla de observacin final una imagen electrnica que se denomina de Campo Claro. La intensidad difractada localmente, es decir la cantidad de electrones que son removidos del haz incidente y pasan al haz difractado, est directamente relacionada con la estructura de la muestra. An si la muestra es homognea, pueden existir en el cristal ciertos defectos que afectan la intensidad difractada en las distintas zonas de la lmina, dando tambin origen al contraste por difraccin. Esta es la tcnica que permite obtener imgenes de dislocaciones, interfases, fallas de apilamiento, precipitados.

Si solamente el haz difractado es amplificado por las lentes magnticas del microscopio, se tendr en la pantalla de observacin final una imagen electrnica que se denomina de Campo Oscuro.

I.3.3 PREPARACIN DE LMINAS DELGADAS

Para alcanzar una adecuada transparencia a los electrones en un microscopio electrnico por transmisin operado p.ej. a 100 kV, el espesor de una lmina delgada debe ser del orden de unos 50 a 300 nm. La muestra debe poder soportarse por s sola, con zonas delgadas alrededor de un orificio central o puede

consistir en pequeos fragmentos o partculas soportadas sobre una grilla Figura I.5).

Fig.I.5 . - Esquema de la formacin de imgenes electrnicas en campo claro y campo oscuro en un microscopio electrnico por transmisin.

Existen numerosos mtodos para preparar lminas delgadas (Ref.). El mtodo a utilizar depende del tipo de material y de la informacin que se desea obtener. El requisito ms importante que debe satisfacer una lmina delgada es el de ser representativa del material a caracterizar. En el proceso de preparacin no se debe alterar la microestructura, la configuracin de defectos presentes, ni tampoco formar nuevos defectos (artifacts) o cambios en su composicin qumica.

La obtencin de lminas delgadas a partir de muestras masivas requiere en general un adelgazamiento mecnico inicial, un corte para obtener un disco con las dimensiones del portamuestras a utilizar, y un adelgazamiento final que puede ser

electroltico o inico, segn que se trate de un material metlico conductor o de un cermico.

Para analizar solamente las partculas presentes en material no es necesario preparar una lmina delgada del mismo, sino que se puede preparar rplicas de extraccin. Mediante un ataque previo de la muestra masiva se pueden revelar las partculas a analizar. Evaporando carbono sobre la superficie, las partculas quedan adheridas a esta rplica, que puede luego ser observada en el microscopio electrnico por transmisin. Existe amplia bibliografa sobre la preparacin de estas rplicas extractivas (Figura I.6)

Referencias

P.B.Hirsch, A.Howie, R.B.Nicholson, D.W.Pashley, Whelan M.J.

Electrn Microscopy of Thin Crystals, Second Edition, Krieger Huntington, New York 1977.

Transmission Electron Microscopy - A Textbook for Materials Science

David B.Williams, L.Barry Carter, Second Edition, Springer, New York, 2009.

"Microscopa Electrnica de Lminas Delgadas"

M.Ipohorski, Instituto Sabato UNSAM-CNEA, PMM-165/95, IT-41/95, Buenos Aires 1995.

Rplicas, sus Aplicaciones

Jos Ovejero Garca y Miguel Ipohorski, Instituto Sabato CNEA-UNSAM, IT-48/95, Buenos Aires 1995.

Cristalografa y Difraccin, J.D.Hermida, PMM/A-176/96, IT-A-58/96, Instituto de Tecnologa Prof.JorgeA.Sabato UNSAM-CNEA, 1996.

Fig.I6 .- Esquema de preparacin de una rplica de extraccin para la observacin de imgenes electrnicas y sus diagramas de difraccin de precipitados en una matriz metlica.

I.4. EL MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO Los microscopios electrnicos de barrido (SEM) comenzaron a desarrollarse comercialmente en la dcada de 1960. Dadas sus ventajas sobre otro tipo de instrumentos, inmediatamente se constituyeron en una herramienta indispensable para numerosas disciplinas cientficas y tecnolgicas. Las posibilidades de anlisis de estos instrumentos fueron mejorando continuamente. En un SEM se pueden obtener imgenes de la superficie de todo tipo de muestras, tanto de materiales estructurales como de material biolgico, con un mnimo de preparacin previa. Solamente es necesario asegurar que las muestras sean limpias, secas y conductoras elctricas, y ser compatibles con el alto vaco del instrumento. Para observar un material no conductor, normalmente se obtiene una buena conductividad elctrica recubriendo las muestras con una delgada capa metlica, p.ej. oro, o desecando previamente las muestras que tuviesen altos contenidos de vapor de agua.

Los microscopios electrnicos de barrido se caracterizan por una serie de ventajas frente a los microscopios pticos. Se destaca su mejor poder de resolucin (~4 nm), su amplia profundidad de foco, y la posibilidad de analizar la composicin de la muestra (microanlisis).

EL Microscopio Electrnico de Barrido (ScanningElectronMicroscope SEM) es un instrumento que permite observar y analizar la superficie de todo tipo de muestras con una resolucin mejor que la de los microscopios pticos. Mientras que un microscopio ptico permite observar detalles de hasta unos 0.2 m, en el SEM se pueden observar detalles de dimensiones prximas a la centsima parte de un micrn (m). Un instrumento SEM moderno puede alcanzar una resolucin de unos 4 nm a 30 kV de tensin de aceleracin del haz de electrones, a magnificaciones superiores a los 200000x. Figura I.7

Microscopio electrnico de barrido marca FEI

Todo punto de la superficie de una muestra que es alcanzado por un haz de electrones de alta energa (20-30 kV) da origen a un conjunto de seales (electrones y rayos X) que pueden ser detectadas de forma independiente y convertidas en pulsos electrnicos.

El modo de operacin ms utilizado es el emisivo, en el cual se detectan los electrones secundarios (baja energa) emitidos por la superficie de la muestra alcanzada por el haz incidente.(Figura I.8) Este modo es el que proporciona las imgenes de mejor resolucin de una superficie, con una amplia profundidad de foco. En este modo se pueden obtener imgenes en foco de todos los puntos de

una superficie irregular, como es el caso de una superficie de fractura de un acero. La observacin de la superficie de fractura (fractografa) es de fundamental importancia para el anlisis de falla de componentes mecnicos en servicio.

Fig.I.9. Micrografa de una superficie de fractura intergranular obtenida en el microscopio electrnico de barrido FEI QUANTA 200. Se puede observar claramente la descohesin de los granos cristalinos de la muestra, con una gran profundidad de foco. Magnificacin 3000 x.

Fig. I.8.- Esquema del volumen de interaccin de un haz de electrones de alta energa con una muestra.

El modo reflectivo se basa en la deteccin de los electrones retrodifundidos (alta energa) por la muestra, y es el que permite detectar variaciones en la composicin qumica de la muestra, adems de su topografa. La resolucin de las imgenes de electrones retrodifundidos es del orden de ~100 nm.

Las continuas mejoras condujeron al desarrollo (dcada de 1980) del denominado Microscopio Electrnico Ambiental, ESEM por EnvironmentalScanningElectronMicroscope. En estos instrumentos se puede alterar el alto vaco alrededor de la muestra con una pequea sobre presin de hasta unos 50 Torr de gas inerte, aire o incluso vapor de agua. Con este sistema se pueden obtener imgenes electrnicas con una resolucin prxima a la de un microscopio electrnico de barrido convencional. Este nuevo tipo de instrumentos permite entonces la observacin de todo tipo de muestras no conductoras, as como muestras biolgicas hidratadas o contaminadas, superando as las restricciones originales debidas al alto vaco de la columna del microscopio.

I.4.1 MICROANLISIS ELECTRNICO El anlisis de los rayos X caractersticos emitidos por una muestra alcanzada por el haz de electrones de alta energa de un microscopio electrnico de barrido o una microsonda electrnica permite la identificacin de los elementos que componen dicha muestra.

La identificacin de los elementos presentes en una muestra se basa en la determinacin de las energas E , o de las longitudes de onda , de los fotones X caractersticos emitidos. Ambas magnitudes caracterizan unvocamente la radiacin emitida por los elementos presentes en la muestra, y estn relacionadas por la expresin clsica

E keV

( ).( )

=12 398

Son dos las tcnicas experimentales que se han desarrollado para ello. En el sistema de la Microsonda Electrnica de Castaing, desarrollada hace unas cuatro dcadas, se determina la longitud de onda de los fotones X haciendo incidir la radiacin sobre una familia de planos de un cristal de espaciado conocido dhkl bajo un cierto ngulo de tal manera que si se verifica la ley de Bragg

2 dhklsen =

TABLA I.1

COMPARACION ENTRE LAS TECNICAS DE OBSERVACION DE MICROSCOPIA OPTICAS (MO) Y MICROSCOPIA ELECTRONICA

ELECTRONICAS (TEM SEM)

Magnificacin Resolucin Campo visual Profundidad de foco

MO SEM

MO 1 x 0.2 mm 100 mm

MO

SEM

10 x 0.02 mm 10 mm 0.1 mm 10 mm

MO

SEM

100 x 2 m 1 mm 1 m 1 mm

MO

SEM

TEM

1000 x 0.2 m 0.1 mm 10 m

SEM

TEM

10000 x

20 nm 10 m 1 m

SEM

TEM

100000 x

2 nm 1 m

TEM 1000000 x 0.2 nm 0.1 m

Existe un fuerte haz difractado para la radiacin de longitud de onda cuya intensidad se puede determinar mediante un detector adecuado, generalmente un contador proporcional. Puesto que el anlisis del fotn X emitido se basa en la determinacin de su longitud de onda por tcnicas de difraccin, este sistema se conoce como Microanlisis Dispersivo en Longitud de Onda(WDS WavelengthDispersiveSpectroscopy). Las caractersticas particulares de estas tcnicas pueden consultarse en una publicacin del laboratorio (G.L.Vigna, 1995).

En el caso del Microanlisis Dispersivo en Energa o EDS (EnergyDispersiveSpectroscopy) los rayos X caractersticos emitidos por la muestra son detectados por un sistema que produce pulsos de altura proporcional a la energa de cada fotn incidente. Estos pulsos electrnicos son luego procesados por un analizador multicanal, y finalmente visualizados en un espectro que grafica la cantidad de pulsos en funcin de la energa caracterstica de cada pulso. De esta manera, con el sistema dispersivo en energa, se pueden identificar rpidamente los elementos presentes en una muestra si su concentracin es superior a ~ 1 %. El

sistema EDS tiene una mejor eficiencia de coleccin de fotones X, permite la coleccin simultnea de todos los elementos presentes, y es muy fcil de adosar a un microscopio electrnico de barrido.

Con la medicin adicional de la intensidad de los rayos X caractersticos y procesos de clculo adecuados, tambin es posible analizar en forma cuantitativa la composicin de la zona analizada. La principal ventaja de las tcnicas de microanlisis, sea WDS o EDS, es el pequeo volumen de material que es analizado, que normalmente es del orden del m cbico, o 10-12 cm3. Suponiendo una densidad media de 7 g/ cm3 en el caso de un metal de transicin, las tcnicas mencionadas permiten analizar una cantidad de material igual a 7 x 10-12 gramos. Dado que las propiedades macroscpicas de los materiales dependen de su microestructura en la escala del micrn, es inmediato ver la importancia de poder analizar cantidades tan pequeas. Otra de las ventajas de los dos sistemas es que el anlisis es no destructivoy por lo tanto, utilizando la misma muestra, la informacin as obtenida puede luego ser complementada mediante otras tcnicas.

TABLA I.2

CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LASTCNICAS DE MICROANLISIS

Caractersticas de operacin

WDS (Difraccin por cristal) EDS (Dispersivo en energa)

Eficiencia de coleccin geomtrica

variable, < 0.2% < 2%

Eficiencia en la deteccin de elementos livianos

variable, < 30%

detecta elementos con Z 4

100% para 2 - 16 keV

detecta Z10 (ventana de Be)

detecta Z 4 (sin ventana o con ventana ultra fina)

Resolucin depende del cristal 5eV depende de la energa 140eV a 5.9 keV

Rango instantneo de captacin

depende de la resolucin de espectrmetro

todo el rango de energas

Mximo nmero de cuentas 50.000 cps en una lnea de Rayos X

depende de la resolucin,

< 2000 cps para la mejor resolucin

Tamao mnimo de probeta

2000

50

Tiempo tpico de coleccin de datos

10 minutos pocos minutos

Errores introducidos en los espectros

rara vez introduce errores picos de escape, efectos de absorcin en le ventana de Be, superposicin de picos.

I.4.2 - MAPAS DE DISTRIBUCIN DE RAYOS X

Todo dispositivo de microanlisis, tanto dispersivo en energa como en longitud de onda, permite la visualizacin de la distribucin de un elemento dado en la zona observada de la muestra (Mapas de Rayos X o X-RayMappings). Mediante el sistema analizador es posible seleccionar un canal, denominado ventana coincidente con el pico de un elemento presente en la muestra. Durante el barrido de una zona de la muestra, el sistema electrnico modula la intensidad de la pantalla de observacin con las seales provenientes solamente de la ventana seleccionada. Cada vez que el haz de electrones del microscopio incide sobre una zona de la muestra que contiene el elemento seleccionado, aparecer en la pantalla un punto brillante. El resultado final de un barrido completo ser una distribucin de puntos brillantes, donde las zonas de mayor densidad de puntos corresponden a una mayor concentracin del elemento.

REFERENCIAS

"Microscopa Electrnica de Barrido"

M.Ipohorski, Patricia B.Bozzano, Ral A.Versaci, Instituto Sabato UNSAM-CNEA, IS/A 78 / 08, Buenos Aires 2008.

Fractografa Electrnica : su Contribucin al Anlisis de Fallas

M.Ipohorski, Revista SAM, publicacin electrnica de la Asociacin Argentina de Materiales, Vol.1, No.2, Buenos Aires, setiembre 2004.

Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis

J.I.Goldstein, D.E.Newbury, D.C.Joy, C.E.Lyman, P.Echlin, E.Lifshin, L.Sawyer, J.Michael, Springer, New York, Third Edition 2007.

Caracterizacin Puntual de los Materiales por Microsonda Electrnica

Gustavo L.Vigna, Instituto Sabato UNSAM-CNEA, IT 47/95,

Microanlisis Dispersivo en Energa

M.Ipohorski, Patricia B.Bozzano, Ral A.Versaci, Instituto Sabato UNSAM-CNEA, IT/A 65 / 98, Buenos Aires 1998.

Tcnicas de Anlisis de Superficies

C.Oviedo, IT/A 66/98, Instituto Sabato UNSAM-CNEA, Buenos Aires 1998.

Fig.I.0. Espectro caracterstico de la superficie de un perno, donde se observa claramente la presencia de los elementos presentes en la zona analizada.

I.5. ANALISIS DE SUPERFICIES La superficie de los materiales utilizados en distintos procesos tecnolgicos determina en gran medida su comportamiento en servicio, puesto que sus propiedades no son necesariamente iguales a las del material en volumen. De esta manera se han desarrollado tratamientos protectores para extender la vida til de herramientas de corte, componentes mecnicos, implantes dentales o quirrgicos. Los problemas de friccin, lubricacin, comportamiento de adhesivos, se resuelven a partir del conocimiento del estado de las superficies de los componentes.

La caracterizacin de una superficie implica el conocimiento de las especies atmicas presentes, los compuestos que originan, as como su evolucin en el tiempo. Se describen a continuacin las tcnicas tradicionales desarrolladas y utilizadas en las ltimas dcadas.

I.5.1 - XPS (X-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY) Permite identificar los elementos presentes en las primeras capas atmicas de una superficie y determinar los compuestos qumicos que se forman. Se basa en el anlisis de las energas de los fotoelectrones emitidos por la superficie de una muestra al ser irradiada con un haz de rayos X. Con espectrmetros de alta resolucin se pueden obtener los espectros de estos electrones, donde se observan picos caractersticos por encima de un fondo continuo. Midiendo la energa cintica de esos electrones con un espectrmetro, se pueden identificar los elementos que los originaron. Esta tcnica analtica detecta la presencia de todos los elementos de la tabla peridica, excepto el H. En particular, se resuelven claramente los picos de los elementos livianos C, N, O. que no pueden ser identificados por otras tcnicas.

La tcnica XPS es una de las tcnicas de anlisis superficial, puesto que los electrones que correspondientes a cada pico provienen de las primeras capas atmicas de la superficie. Aunque la penetracin de los rayos X incidentes es de algunos micrones, los electrones emitidos sufren en su trayectoria hacia la superficie colisiones que producen prdidas de energa. La alta probabilidad de estas colisiones inelsticas es la que determina que XPS sea una tcnica de anlisis de superficies. Solamente los fotoelectrones emitidos por las ltimas capas de la muestra alcanzan a salir de la superficie con su energa inicial y dar lugar al pico caracterstico del elemento presente. Es una tcnica muy sensible para la deteccin de los elementos presentes en la superficie.

La seccin del haz incidente de rayos X sobre la muestra es del orden de algunos mm2 y por lo tanto permite integrar la seal de un elemento dado, an cuando la concentracin del mismo sea muy baja. Adems, dada la precisin en la medicin de los picos en el espectro de energas de los fotoelectrones, del orden de 0.2 0.3 eV, la tcnica XPS permite determinar el estado de combinacin qumica de los elementos presentes en la superficie analizada.

I.5.2 - AES (AUGER ELECTRN SPECTROSCOPY) Tambin permite realizar un anlisis de la composicin de pequeas reas de la superficie. Esta tcnica utiliza un espectrofotmetro de electrones, como en el caso de XPS. Como resultado de la interaccin entre el haz incidente de rayos X y la muestra, tambin se emiten electrones de baja energa, denominados electrones Auger, cuya energa es caracterstica para cada elemento de la tabla peridica, independiente de la energa del haz de rayos X.La probabilidad de emisin de un electrn Auger es mayor para los elementos livianos.

El espectro de electrones Auger caractersticos puede obtenerse tambin haciendo incidir sobre la muestra un haz de electrones de energas del orden de unos 1000 a 5000 eV. El haz de electrones puede ser deflectado y focalizado con lentes magnticas o electrostticas, permitiendo seleccionar una zona determinada de la muestra. Adems puede ser focalizado hasta dimensiones del orden de los micrones, posibilitando el anlisis de pequeas reas de la muestra. Adems, seleccionando adecuadamente la energa del haz, pueden identificarse todos los elementos de la tabla peridica, particularmente los livianos a partir del He (Z=2).

En un espectro Auger tambin pueden observarse corrimientos debidos a diferentes estados qumicos de un elemento. Si un elemento est presente sobre la superficie en ms de un estado de combinacin qumica, la estructura fina de los picos Auger correspondientes permite detectarlos. Igual que en el caso de un SEM, pueden obtener imgenes qumicas de la muestra, seleccionando un pico Auger para modular la pantalla de observacin cuando el haz de electrones barre la superficie. Con ello se pueden visualizar las zonas de la muestra donde se encuentra el elemento (mapping).

En ambas tcnicas, XPS y Auger, un espectrofotmetro de electrones (analizador) mide las energas cinticas de los electrones emitidos por la superficie de la muestra por la incidencia de un haz de rayos X o de electrones.

I.5.3 UPS (ULTRAVIOLET PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY) Los principios en los que se basa esta tcnica son los mismos que en XPS, pero la radiacin incidente es ultravioleta, cuyos fotones tienen menor energa que los correspondientes a los rayos X. Siendo adems menor el ancho de lnea, esta tcnica es

especialmente apta para el estudio de electrones de valencia de los tomos superficiales o de las energas de ligadura de las capas exteriores de molculas.

I.6. TCNICAS DE DIFRACCIN DE RAYOS X Las tcnicas basadas en la difraccin de los rayos X por la materia, forman parte de un conjunto de tcnicas analticas no destructivas que proporcionan informacin sobre la estructura cristalogrfica de los materiales. El principio de la mayora de estas tcnicas se basa en la medicin de la direccin y la intensidad de los haces difractados cuando un haz de rayos X de longitud de onda incide sobre una muestra cristalina. La Ley de Bragg

2 dhklsen =

es la ecuacin fundamental que relaciona el ngulo de los haces difractados por un cristal con el espaciado dhkl de una familia dada de planos cristalinos de la muestra.

I.6.1 MTODOS DE CRISTAL NICO. El estudio de la difraccin por una muestra monocristalina se utiliza para determinar la estructura de materiales cristalinos de todo tipo, tanto inorgnicos como macromolculas complejas o protenas.

Mtodo de Laue. Orientacin de Monocristales.

En el mtodo de Laue el cristal es analizado con un haz de rayos X que contiene todas las longitudes de onda del espectro. La informacin que se obtiene permite conocer la orientacin de las direcciones cristalogrficas de un cristal respecto de alguna referencia exterior de la muestra, por ejemplo una arista, superficie, borde, o la direccin del haz incidente.

Mtodo de cristal rotatorio.

De todos los mtodos de basados en la difraccin de rayos X, el de cristal rotatorio es el ms utilizado para la medicin de los parmetros a1 , a2 , a3 , de la celda elemental, de sus simetras, y el estudio de estructuras cristalinas en general. En este caso, la radiacin X incidente es monocromtica, y la muestra realiza un movimiento oscilatorio alrededor de un eje dado.

I.6.2 MUESTRAS POLICRISTALINAS Las tcnicas de difraccin por muestras policristalinas o de polvo cristalino, se utilizan para identificar sustancias, comparando la informacin de los diagramas de difraccin obtenidos con los datos de tablas internacionales. Tambin se utilizan para caracterizar muestras heterogneas o mezclas slidas para determinar la proporcin de compuestos cristalinos presentes. Adems, con el conocimiento preciso de espaciados cristalinos, es posible identificar materiales utilizando mtodos de ajuste del tipo de Rietveld.

Los mtodos de difraccin en polvos cristalinos tambin permiten determinar la presencia de deformaciones en la red, y del tamao de grano o cristalita midiendo el ensanchamiento de los picos de difraccin. Tambin es posible determinar la distribucin de orientaciones cristalinas en una muestra policristalina y obtener las correspondientes figuras de polo.

El mtodo tradicional de anlisis de muestras policristalinas (DebyeScherrer) utilizaba una cmara cilndrica en cuyo centro se ubicaba la muestra. Sobre la superficie interior de la cmara se colocaba una pelcula fotogrfica para el registro de los haces difractados (anillos o lneas de DebyeScherrer). Conociendo el radio la cmara, una medida lineal

sobre la pelcula entre dos arcos correspondientes permita obtener el ngulo de difraccin 2 y a travs de la ley de Bragg el espaciado de los planos cristalinos que dieron origen a esa reflexin. Luego, a partir del conocimiento de los espaciados cristalinos dhkl y de las intensidades correspondientes a cada lnea de difraccin, se poda obtener informacin acerca de un conjunto de datos estructurales de la muestra:

o tamao de partcula, a travs del ensanchamiento de las lneas. Este mtodo es aplicable si los cristales individuales de la muestra tienen dimensiones comprendidas entre ~ 1 y 100 nm.

o espaciados cristalinos de las familias de planos dhkl que dieron origen a las lneas de difraccin, y por lo tanto de red cristalina de la muestra (cbica, hexagonal, tetragonal.).

o determinacin del parmetro de red, por ejemplo el valor de a de una red cbica. Sin embargo, para el estudio de estructuras ms complejas donde el nmero de lneas de difraccin es grande y por lo tanto se requiere una mejor resolucin, se comenzaron a utilizar cmaras de alta resolucin basadas en una geometra de focalizacin (cmara de SeemanBohlin, cmara de Guinier).

Los mtodos mencionados permitan determinar distintos parmetros estructurales de la muestra (espaciados cristalinos, parmetros de red) a partir de la posicin angular de los haces difractados sin tener en cuenta sus intensidades relativas. Pero con el conocimiento de las intensidades de las lneas de difraccin se obtiene informacin adicional sobre otros datos estructurales que se extienden desde un anlisis qumico hasta la determinacin de estructuras cristalinas complejas.

I.6.3 EL DIFRACTMETRO DE RAYOS X. El difractmetro es el dispositivo experimental diseado especialmente para analizar la distribucin de las intensidades difractadas en funcin del ngulo de difraccin 2. La muestra debe ser en todos los casos un agregado policristalino, como en los mtodos mencionados. La intensidad de los haces difractados es analizada y registrada por contadores adecuados. El gonimetro es el dispositivo mecnico que permite el anlisis de intensidades mencionado para cada lnea de difraccin, determinada con una precisin angular de 0.01 .

I.6.4 - ANLISIS RADIOCRISTALOGRFICO. El anlisis radiocristalogrfico se basa en la determinacin e identificacin de los espaciados cristalinos de la muestra. A cada compuesto qumico le corresponde un diagrama de difraccin caracterstico, definido por la posicin angular de cada mximo de difraccin y la intensidad correspondiente de uno de ellos. Por lo tanto, si un diagrama de difraccin de una muestra desconocida contiene un conjunto de mximos (lneas) coincidentes con el de una sustancia determinada, se puede afirmar que dicha sustancia est presente en la muestra.

Este mtodo presenta una serie de ventajas sobre los mtodos convencionales de anlisis qumico por va hmeda o espectrogrficos. Mientras que estos ltimos pueden solamente identificar los elementos presentes en la muestra, los mtodos de difraccin al identificar la estructura cristalina, determinan el compuesto qumico. El anlisis radiocristalogrfico permite as diferenciar distintos compuestos formados por los mismos elementos. Por ejemplo, en los xidos de hierro Fe2O3 y Fe3O4 los mtodos qumicos detectaran en ambos casos la presencia de los elementos Fe y O , mientras que el diagrama de difraccin permite la identificacin de cada xido.

Adems, el anlisis radiocristalogrfico se efecta directamente sobre la muestra (material policristalino o en polvo) y en general es suficiente contar con una cantidad pequea de material. El mtodo puede considerarse no destructivo. La tcnica experimental es relativamente simple y puede realizarse en el laboratorio sin mayor dificultad.

I.6.5 ORIENTACIONES PREFERENCIALES. TEXTURAS DE FIBRA Y CHAPA. En una muestra policristalina cada grano tiene una orientacin cristalogrfica distinta. Estas orientaciones pueden estar distribuidas al azar o pueden agruparse alrededor de alguna orientacin determinada. En este caso se dice que en la muestra existe una orientacin preferencial o textura.

Existen numerosos casos de orientaciones preferenciales en muestras metlicas. Por ejemplo los cristales de un alambre trefilado estn orientados de manera que una direccin cristalogrfica es paralela al eje del alambre en la mayora de los granos. En chapas laminadas, de la misma manera, los granos suelen estar orientados con ciertos planos (hkl) paralelos a la superficie de la chapa, y una cierta direccin en estos planos es aproximadamente paralela a la direccin de laminacin.

Cuando un metal trabajado en fro, con una cierta textura, es sometida a un tratamiento trmico, el material presenta una nueva textura denominada de recristalizacin.

La importancia tecnolgica de las texturas reside en el hecho que stas influyen en las propiedades macroscpicas de los materiales. Dado que la mayora de los cristales son anistropos, un agregado policristalino tendr propiedades direccionales en mayor o menor grado segn sea su textura.

Por ejemplo, en el embutido profundo de chapas el metal debe fluir uniformemente en todas las direcciones, pero esto no ocurrir si el material tiene fuertes orientaciones preferenciales. En cambio, las chapas de Fe-Si de los ncleos de transformadores pasan a travs de ciclos de magnetizacin y desmagnetizacin y requieren una alta permeabilidad en la direccin del campo magntico aplicado. Los tratamientos de laminacin y recocido dados a estas chapas son elegidos de manera de producir una orientacin preferencial en la cual la mayora de los granos estn orientados con sus direcciones paralelas a una nica direccin.

La orientacin preferencial es una condicin cristalogrfica y no necesariamente est relacionada con el tamao y la forma del grano. Solamente las tcnicas de difraccin de rayos X pueden evidenciar la existencia de orientaciones preferenciales. La distribucin de orientaciones preferenciales se describe mediante su figura de polo, donde se grafica la densidad de polos (direcciones) de una familia dada de planos cristalinos. Si los granos estn orientados al azar, los polos estarn dispuestos en forma uniforme sobre la proyeccin. En cambio, si existen orientaciones preferenciales los polos se agrupan en zonas determinadas de la proyeccin. El difractmetro de rayos X es el instrumento que permite construir en forma cuantitativa las mencionadas figuras de polo.

I.6.6 - DETERMINACIN DE TENSIONES RESIDUALES Distintos procesos de transformacin en metales y aleaciones pueden generar tensiones internas que subsisten an despus de haber desaparecido el factor externo que las produjo. Este estado de tensiones, llamado tensiones residuales, influye sobre distintas propiedades fsicas del material. An cuando en muchos casos las tensiones residuales pueden mejorar algunas propiedades, en general dan origen a procesos desfavorables como una rotura por fractura. Por lo tanto es de suma importancia tecnolgica poder detectar y medir estas tensiones residuales. La determinacin de las tensiones residuales no se realiza directamente, sino a travs de la medicin experimental de las

deformaciones generadas. Luego, las tensiones se calculan por medio de la Ley de Hooke, suponiendo conocidas las constantes elsticas del material. En la mayora de los mtodos mecnicos convencionales, la medicin de las deformaciones se realiza con referencia al estado libre de tendones. Para liberar las posibles tensiones existentes se suele seccionar el componente de alguna manera adecuada. Estos procedimientos conducen en general a la destruccin total o parcial de la probeta, siendo sta la mayor limitacin de los mtodos mecnicos.

El carcter no destructivo de las experiencias de difraccin es por lo tanto la ventaja principal de las tcnicas de rayos X en la determinacin de tensiones residuales. En efecto, las tcnicas de difraccin de rayos X permiten determinar en forma precisa los valores de los parmetros a1, a2, a3, de la celda elemental, o los espaciados cristalinos dhkl. Por lo tanto las deformaciones de un material pueden medirse a partir de las variaciones a o dhkl entre el estado tensionado y el estado libre de tensiones. Existe tambin un mtodo para determinar el estado de las tensiones residuales sin necesidad de medir el material libre de tensiones. Por ejemplo, en aceros recocidos de grano fino ( < 30 m ) la determinacin de las tensiones residuales se puede realizar con una precisin de ~ 2 Kg / mm2 .

REFERENCIAS

Cristalografa y Difraccin, J.D.Hermida, PMM/A-176/96, IT-A-58/96, Instituto de Tecnologa Prof.JorgeA.Sabato UNSAM-CNEA, 1996.

I.7. MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA

I.7.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO El Microscopio de Fuerza Atmica AFM (AtomicForceMicroscope) se basa principalmente en un brazo de palanca (cantilever) con una punta muy aguda en su extremo, que recorre y explora la superficie de la muestra. El radio de curvatura de la punta es del orden de los nanometros. Cuando la punta exploradora se aproxima a la superficie estudiada, las distintas fuerzas atmicas deflectan el brazo de acuerdo a la magnitud de las fuerzas de interaccin:

fuerzas de van der Waals

capilares

uniones qumicas

fuerzas electrostticas

fuerzas magnticas (Microscopio de Fuerza Magntica)

La deflexin del brazo se mide por medio de un delgado haz de lser que se refleja en la superficie del brazo e incide sobre un conjunto de fotodiodos.

El barrido de le muestra se realiza por medio de elementos piezoelctricos, que se contraen y expanden de acuerdo a la polaridad de la tensin aplicada. Normalmente la punta exploradora es fija, y tres piezo electrodos independientes permiten el desplazamiento de la muestra en las tres dimensiones X, Y, Z.

La distancia punta-muestra se ajusta por un mecanismo de realimentacin de manera de mantener una fuerza constante entre la punta y la muestra. Normalmente la muestra se

monta sobre un tubo de material piezoelctrico que permite el desplazamiento vertical en la direccin z para mantener constante la fuerza, as como los desplazamientos (xy) necesarios para recorrer la superficie de la muestra. La visualizacin del mapa

z = f(xy)

representa la topografa de la zona explorada en la muestra.

I.7.2 MODOS DE OPERACIN El microscopio AFM se puede utilizar en distintos modos de operacin. Los ms utilizados son :

Modo Esttico o de contacto

Modo Dinmico o sin contacto (vibracin del brazo)

Modo Tapping

Modo Esttico. En este modo el brazo de palanca se desplaza barriendo la superficie de la muestra y entonces los perfiles de la superficie se obtienen directamente por medio de la deflexin del brazo en cada punto. Dado que esta seal es muy sensible a ruido y/o arrastre, se utilizan brazos poco rgidos para incrementar la seal de deflexin. Tambin, dado que las fuerzas atractivas aumentan cuando la punta se acerca a la superficie, la punta puede quedar adherida a la superficie. Entonces el modo esttico se utiliza preferentemente cuando las fuerzas son repulsivas. En este modo de contacto, la fuerza entre la punta exploradora y la muestra se mantiene constante durante el barrido, manteniendo constante la deflexin durante el barrido.

Modo Dinmico (sin contacto). En el modo dinmico, el brazo de palanca oscila en una frecuencia igual o prxima a la de resonancia, o eventualmente uno de sus armnicos. La amplitud de la oscilacin as como la frecuencia de resonancia son modificadas por la fuerza de interaccin entre la punta y la muestra. Estas variaciones son procesadas y proporcionan imgenes que revelan distintas caractersticas de la superficie de la muestra.

La amplitud de la oscilacin es del orden de algunos nanometros (< 10 nm). Tanto las fuerzas de van der Waals que son apreciables a distancias de 1 nm a 10 nm respecto de la superficie, as como otras fuerzas de largo alcance, disminuyen la frecuencia de resonancia del brazo. Esta disminucin es detectada por el sistema de realimentacin, que inmediatamente ajusta el sistema para mantener constante la distancia punta-muestra. Esta informacin es utilizada por el sistema de visualizacin, como en el caso esttico, para proporcionar una imagen de la superficie de la muestra.

En el caso de muestras rgidas, los dos modos proporcionan imgenes semejantes. Pero en otros casos, como p.ej. una muestra con algunas capas de fluido adsorbido sobre su superficie, las imgenes son diferentes. En el modo de contacto la punta penetra la capa de lquido y la imagen corresponde a la superficie rgida, mientras que en el modo sin contacto la punta oscila sobre la capa de fluido, proporcionando as una imagen de la capa lquida sobre la superficie de la muestra,

Modo Tapping. En el modo tapping, sobre el brazo de palanca se monta un pequeo elemento piezoelctrico que hace oscilar la punta exploradora a una frecuencia prxima a la de resonancia como en el caso sin contacto, pero con una amplitud mucho mayor, del orden de los 100 a 200 nm. Cuando la punta se aproxima a la superficie, las distintas fuerzas de interaccin, electrostticas, de van der Waals o bipolares, tienden a disminuir la amplitud de esta oscilacin. Entonces, el servo mecanismo del sistema acta para controlar la altura del brazo respecto de la superficie de la muestra y mantener constante

la amplitud de la oscilacin durante el barrido de la zona estudiada. La correspondiente imagen AFM se obtiene entonces graficando para cada punto de la superficie la fuerza de estos contactos intermitentes.El modo tapping minimiza el dao producido por la punta exploradora sobre la superficie de la muestra. Con este modo se pueden visualizar hasta bicapas de lpidos o molculas individuales de polmeros, p.ej. cadenas de polielectrolitos de unos 0.4 nm de espesor, an en un medio lquido. Ajustando convenientemente los parmetros de la observacin, se pueden obtener imgenes de molculas individuales.

I.7.3 APLICACIONES Adems de la obtencin de imgenes, las tcnicas de AFM permiten medir directamente las fuerzas de interaccin punta-muestra en funcin de la distancia de separacin. Este modo se denomina Espectroscopia de Fuerzas (ForceSpectroscopy), y permite determinar :

uniones atmicas

fuerzas de van der Waals

fuerzas de disolucin

fuerzas en lquidos

fuerzas de ruptura en molculas

Adems, en un medio acuoso permite determinar la fuerza de dispersin de un polmero adsorbido en un sustrato. Tambin se han medido fuerzas del orden de los piconewton con una resolucin vertical de 0.1 nm. Las tcnicas de espectroscopia de fuerzas pueden realizarse en los modos de contacto y sin contacto.

Identificacin de tomos sobre una Superficie. Las tcnicas de AFM pueden utilizarse para manipular y obtener imgenes de estructuras sobre distintos tipos de superficies. El tomo del extremo de la punta exploradora detecta la influencia ejercida por los tomos individuales de la superficie analizada cuando forma uniones qumicas incipientes con cada tomo. Esta interaccin qumica altera la frecuencia de oscilacin del brazo, y esta variacin puede graficarse formando una imagen (mapping) Este mtodo ha permitido distinguir tomos de Si, Sn y Pb en una aleacin.

Ventajas de la Microscopa de Fuerza Atmica. Las tcnicas de AFM presentan una serie de ventajas respecto de la microscopa electrnica de barrido (SEM). Por un lado, la AFM permite obtener perfiles tridimensionales de la superficie de una muestra. Por otro lado, normalmente no necesita de recubrimientos o preparacin previa de la superficie, como es el caso de un SEM donde es necesario asegurar una buena conductividad elctrica en el caso de muestras aislantes. Tampoco es necesario disponer de un sistema de vaco, pues las imgenes de AFM pueden obtenerse en medio ambiente, e incluso en medios lquidos. Con esta ventaja, es posible observar macromolculas orgnicas u organismos vivos.

Asimismo. la resolucin de un AFM puede ser mejor que la que permite un SEM. En Ultra Alto Vaco (UHV) se han obtenido imgenes AFM con resolucin a nivel atmico, y recientemente tambin en medio lquido. Por lo tanto, la resolucin de las tcnicas AFM es ms bien comparable a la de un microscopio electrnico de transmisin.

Revisar , figuras ,N figuras en el texto N de tems y agregar , al final , bibliografa. Agregar figuras en fatiga y en fragilizacin por revenido

CAPTULO II

II PROBLEMAS QUE SUFREN LOS MATERIALESQUE TRABAJAN A ALTAS TEMPERATURAS

II.1. INTRODUCCION

Cuando un material trabaja a temperaturas elevadas, ocurren diferentes fenmenos que pueden producir la degradacin de sus propiedades, conduciendo a la falla en servicio del componente.

Entre los problemas que se pueden presentar podemos mencionar:

- Creep - Fatiga de alto y bajos ciclos - Fatiga trmica - Sobre carga - Fragilizacin por revenido - Ataque por hidrgeno - Grafitizacin - Oxidacin - Carburacin - Descarburacin - Sensibilizacin a la corrosin intergranular (aceros inoxidables) - Precipitacin y/o transformaciones de fases que conducen a la degradacin de

las propiedades del material. - Fragilizacin por hidrgeno(a la temperatura ambiente) durante la operacin de

parada y arranque de los equipos. La mayora de estos fenmenos son dependientes del tiempo y de la temperatura; por lo tanto sera posible el seguimiento de su evolucin. Esto permitira tomar las medidas correctivas correspondientes, de modo de evitar la falla en servicio de componente.

Es de destacar que, por lo general, las fallas en servicio de los componentes son consecuencia de una combinacin de los fenmenos mencionados mas arriba.

Si bien se considera como alta temperatura aquella superior a 0,4-0,5 Tf (Tf: temperatura de fusin en K), su verdadero valor depender del comportamiento del material a esa temperatura.

Se observan cambios en su comportamiento en :

- Aluminio a 205 C - Titanio a 315 C - Aceros de baja aleacin a 370 C - Aleaciones austenticas base Fe (ej. inoxidables) a 540 C - Aleaciones base Ni y Co a 650 C - Materiales refractarios y sus aleaciones; Mo, W; Nb; Ta; - Mo-0,5Ti; W-2ThO2; W-5Re entre 980 a 1540 C

II.2. FLUENCIA LENTA (CREEP)

II.2.1 INTRODUCCIN Uno de los factores crticos determinantes de la integridad de uncomponente , que trabaja a la temperatura es su resistencia al creep.

Las tensiones impuestas a un componente(ej.presin de trabajo) que trabaja a altas temperaturas produce una deformacin continua del material.Por definicin el creep es la dependencia de la deformacin con el tiempo de un material sometido a una determinada tensin (por debajo de la tensin de fluencia del material) .Luego de un determinado perodo de tiempo el creep puede terminar en la rotura del material (creep-rupture).

De lo anterior, es evidente que el creep es funcin del tiempo, la temperatura y la tensin.Adems de estas, hay otras dos variables a considerar: la microestructura del material y el medio en el cual trabaja.

II.2.2 CURVAS DE CREEP El creep de los metales y sus aleaciones est regido por los principios anunciados anteriormente.

Para ciertas combinaciones de "temperatura-tensin, las curvas de creep(deformacin-tiempo) presentan claramente tres estadios(I, II, y III) que corresponden ,respectivamente, al creep primario,secundario y terciario.(Fig.II.1).

Durante el creep primario (llamado tambin transitorio) la velocidad de deformacin disminuye en forma continua.La resistencia al creep aumenta a medida que progresa la deformacin.

En el creep secundario o estacionario, los mecanismos de endurecimiento se equilibran con los de recuperacin.La velocidad adquiere un valor mnimo constante.

As como el final del creep primario es difcil de determinar, tambin lo es el comienzo del terciario. En este estadio, la velocidad de deformacin aumenta hasta llegar a la fractura del componente. Esta aceleracin de la velocidad de deformacin puede deberse a cambios metalrgicos (ej. recristalizacin) o a una disminucin de la seccin por estriccin y/o por oxidacin.

La duracin del creep terciario es muy importante para efectuar la parada del componente antes de la rotura.

Es de destacar que el algunos casos no se presentan las tres etapas de creep descritas anteriormente.

Fig. II.1. Curva tpica de creep mostrando sus tres etapas,

Curva A (lnea llena) a carga constante

Curva B(lnea punteada) a tensin constante

Fig.II.2 : Curvas de creep para distintas temperaturas. T1 > T2 > T3. Tensin constante .Etapas : 1 ( creep primario) ; 2 ( creep secundario) , 3 ( creep terciario)

logtiempo

tr tr

tr

1

2 3

2

3

2

T1

T T

Este mismo tipo de curvas se obtienen, a temperatura constante, para diferentes valores de tensiones. A mayor tensin menor tiempo de rotura ( mayor velocidad de deformacin)

La velocidad de creep por el tiempo de rotura es constante: A esta constante ( k) se denomina la constante de Monkman-Grant

Para tiempos de rotura cortos la fractura es dctil con gran deformacin.

Para tiempos muy largos ( 20- 30 aos) la rotura se produce por la unin de las cavidades producidas en los lmites de granos y fisuras en los puntos triples. La deformacin es muy pequea.

Para tiempos intermedios la fractura es mixta

Figura II.3- Cavidades alineadas y en lmite de grano

II.2.3 DAO POR CREEP

Como vimos, el creep es la deformacin lenta de un material, que soporta una carga constante, en el tiempo a una temperatura 0,5Tf.Adems de esta deformacin, se producen cambios microestructurales que evolucionan con el tiempo. Pasaremos a describir ,para cada una de las etapas de creep, la evolucin de la microestructura para aceros al carbono y baja aleacin.

Creep Primario

En este estadio se observan muy pocos cambios en la microestructura. Comienza la esferoidizacin de la perlita (de difcil deteccin por microscopa ptica) y es posible la aparicin de pequeas partculas de carburos en los lmites de grano. Fig.II.4.

Figura II.4

Creep Secundario

En la primera parte de esta etapa se observa un mayor grado de esferoidizacin de la perlita(fcilmente observable por microscopa ptica) y un incremento de la precipitacin de carburos en la ferrita y en los bordes de granos.

En la mitad de esta etapa, (tendiendo al final) la esferoidizacin de la perlita es virtualmente completa y an se conservan los signos de las colonias originales.

Al final de esta etapa(comienzo de la tercera) la esferoidizacin de la perlita es completa y slo se observan trazas de la perlita original. Fig.II.5.y II.6

Figura II.5

Figura II.6

Creep Terciario

En esta etapa se produce la desaparicin completa de la perlita original y la coalescencia de los carburos. Fig.II.7 y II.8.

Figura II.7

Figura II.8

En los aceros de baja aleacin se produce, durante las distintas etapas del creep, una transformacin de los carburos. La importancia de esta transformacin, en la resistencia al creep del material, ser discutida ms adelante.

II.3. FATIGA

II.3.1 INTRODUCCIN A fines del siglo pasado, se encontr que un metal sujeto a tensiones repetidas o fluctuantes poda fallar a una tensin ms baja que la necesaria para producir la rotura en una sola aplicacin de la carga. Las roturas ocurridas en condiciones de carga dinmica, se conocen como fallas por fatiga.

Este tipo de dao, que sufren las materiales durante el servicio, es de gran inters tecnolgico debido a que la mayora de las fallas que ocurren en servicio son por fatiga.

La falla por fatiga es muy peligrosa porque se produce sin ningn indicio previo que permita tomar las medidas preventivas para evitarla.

Son necesarias tres condiciones bsicas para que se produzca una falla por fatiga:

-una tensin mxima de traccin -una variacin importante de la tensin aplicada -un nmero suficiente de ciclos

A estas condiciones es necesario agregar otras variables, tales como las concentraciones de tensiones, la temperatura, la corrosin, la sobrecarga, las tensiones residuales, la microestructura y las tensiones combinadas, que tienden a modificar las condiciones necesarias para producir la falla del material por fatiga.

II.3.2 FRACTURA

La superficie de fractura de un componente fallado por fatiga es generalmente plana, sin evidencias de grandes deformaciones macroscpicas. Puede ser normal o estar a 45 respecto de la tensin aplicada.

El avance de una fisura, por el proceso de fatiga, deja marcas concntricas definidas. Una observacin, a mayores aumentos, de la superficie de fractura muestra un conjunto de lneas paralelas denominadas estras de fatiga. Fue establecido que cada ciclo de fatiga da origen a una estra y la distancia ellas depende de la amplitud de la tensin. Adems, se encontr que las marcas observadas, macroscpicamente, representan etapas de la propagacin de la fisura con miles de ciclos de carga cada una y que, efectivamente, cada estra corresponde a la propagacin del frente de fisura durante cada ciclo. Fig. I.5.

Es de destacar, que no siempre un ciclo de carga origina una marca visible y que, la visibilidad de las estras dependen de la ductilidad del material y de la tensin aplicada en cada ciclo. Las estras son mas definidas en materiales de mediana resistencia mecnica y poco definidas e irregulares en metales y aleaciones de gran ductilidad (ej. aluminio).En los metales de alta resistencia son difusas y difciles de individualizar.

La propagacin de una fisura por fatiga se produce en tres o cuatro etapas.

Si el nivel de tensiones cclicas es bajo, la etapa inicial corresponde a un tiempo apreciable de la vida del componente. En esta primer etapa ,la fisura resultante de la repeticin cclica de los mecanismos de deslizamiento, se extiende en los primeros 3 o 4 granos cristalinos, en planos orientados a 45 del eje tensl. En cada grano la fractura sigue planos cristalogrficos(no de clivaje).Por lo general, no se observan estras de fatiga en esta primera etapa. Por otra parte, cuando menor es la amplitud del ciclo de fatiga, en esta etapa, es mayor la extensin de la fisura.

En la segunda etapa se produce la propagacin de la fisura bajo condiciones de deformacin plana y la formacin de estras.En los metales y aleaciones de alta resistencia las estras no se forman. Esta etapa abarca la mayor parte de la duracin en fatiga del componente.

La tercera etapa ocurre durante parte de la aplicacin de la carga cclica cuando la seccin del componente no puede soportar la carga aplicada.La fractura final, la cual es el resultado de una simple sobrecarga, puede ser frgil o dctil, o una combinacin de las dos.

II.3.3 EFECTO DE LAS CONCENTRACIONES DE TENSIONES La resistencia a la fatiga disminuye, de manera muy importante, por la introduccin de concentradores de tensiones( ej. entallas). Como las piezas reales de las mquinas tienen, invariablemente, discontinuidades que concentran las tensiones, las fisuras por fatiga se iniciaran en esas irregularidades geomtricas. Es as, que una de las maneras ms eficaces de combatir las roturas por fatiga es la reduccin,mediante un adecuado diseo, al mnimo posible de los concentradores de tensiones.

II.3.4 ROL DE LA SUPERFICIE Hechos experimentales muestran que las propiedades de fatiga son muy sensibles a la condicin de la superficie del componente: rugosidad superficial, variacin de las propiedades superficiales, tensiones residuales....

Se ha comprobado que la resistencia a la fatiga se incrementa al tener un mejor acabado superficial ( ej. electropulido)

En lo concerniente a los cambios en las propiedades superficiales, por ejemplo la descarburacin de la superficie de un acero conspira contra su resistencia a la fatiga.

En lo referente a las tensiones residuales estas juegan un rol fundamental. Es as que el medio ms eficaz de mejorar la resistencia a la fatiga de un componente es crear, sobre su superficie, tensiones residuales de compresin.(ej.granallado de pretensionado).As como las tensiones residuales de compresin son beneficiosas las de traccin son muy perjudiciales y es necesario eliminarlas o reducirlas( ej. tratamiento trmico de alivio de tensiones)

II.3.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA En general la resistencia a la fatiga disminuye al aumentar la temperatura por encima de la ambiente.Cuando la temperatura se eleva por encima de 0,4-0,5Tf, va adquiriendo gran importancia el fenmeno de creep llegando a ser la causa principal de fallas durante el servicio.

II.3.6 II.3.6.FATIGA TRMICA Las fallas por fatiga que se producen en componentes que trabajan a altas temperaturas no son, necesariamente, consecuencia de tensiones mecnicas.stas fallas pueden producirse como consecuencia de tensiones trmicas fluctuantes. ste tipo de tensiones se producen cuando, de alguna manera, se imposibilita el cambio de dimensiones de un componente resultante de variaciones de temperatura.

Si la falla del componente se produce por la aplicacin de una tensin de origen trmico el fenmeno se conoce como choque trmico;pero si la falla se produce como consecuencia de aplicaciones repetidas de tensiones de origen trmico, el fenmeno recibe el nombre de fatiga trmica.

En los equipos que trabajan a altas temperaturas, el fenmeno de fatiga trmica aparece con frecuencia.Los aceros inoxidables austenticos, debido a su baja conductividad trmica y su coeficiente de dilatacin elevado, es muy sensible a este fenmeno.

II.4. FRAGILIZACION POR REVENIDO La fragilizacin por revenido (temperemblittlement) es una de las mayores causas de degradacin de la tenacidad de los aceros ferrtticos.

Este fenmeno consiste en la prdida de tenacidad y el incremento de la temperatura de transicin dctil-frgil del material (FATT, 50% dctil-brittle fracture -appearancetransitiontemperature) cuando es envejecido, isotrmicamente, en el rango de temperaturas de 375C -560 C. Tambin puede producirse como consecuencia de un enfriamiento lento luego de un tratamiento de revenido o de un tratamiento de pos soldadura.

El incremento de la FATT va acompaado por una disminucin del Kic.

El fenmeno ocurre en aceros de baja aleacin por segregacin de elementos de impurezas ( Sb, P, Sn, y/o As) en los primitivos bordes de grano austenticos. Este fenmeno es reversible es decir, puede restituirse la tenacidad del material con un tratamiento a 600 C seguido de un rpido enfriamiento.

Muchas veces este fenmeno es confundido con otros dos: fragilizacin a alta temperatura (hightemperatureembrittlement) y fragilizacin de la martensita revenida (Temperedmartensiteembrittlement) o fragilizacin por revenido a 350C. El primero es consecuencia del crecimiento de carburos en primitivos bordes de grano austenticos y el segundo a la precipitacin de carburos. Ambos fenmenos no son reversibles.

Los aceros que se fragilizan por revenido son en general aceros de baja y media aleacin..El Mn, Ni, y Cr acentan la sensibilidad a la fragilizacin pero para que esto ocurra es fundamental la presencia de elementos de impurezas tales como :Sb, P, Sn, As entre otros La presencia del Mo, como elemento de aleacin, disminuye la sensibilidad a la fragilizacin pero no la elimina totalmente.

Es necesario resaltar que la fragilizacin por revenido no est asociada a la precipitacin de fases frgiles, sino solo a la segregacin de impurezas en los antiguos bordes de granos austenticos. Esta zona de segregacin tiene un espesor de solo algunas capas atmicas.

Como dijimos anteriormente, el efecto ms importante de la fragilizacin por revenido es el aumento de la temperatura de transicin. Los ensayos de Charpy(Charpynotchimpact test) permiten detectarlo. Es muy importante destacar que este fenmeno no es detectable por ensayos de traccin. En otras palabras, un material fragilizado por revenido no presenta ningn cambio, en relacin al mismo material no fragilizado, en la tensin de fluencia, en alargamiento o la reduccin de rea.

El incremento de la temperatura de transicin, debida al fenmeno de fragilizacin por revenido, va acompaada de un cambio en el mecanismo de fractura. Pasa de un modo dctil transgranular a un modo frgil intergranular.

La susceptibilidad a la FPRaumenta al aumentar la resistencia mecnica. En relacin con la microestructura, la ferrtico-perltica es la que muestra la menor susceptibilidad, seguida de la baintica y en ltimo trmino se encuentra la martenstica que es la ms susceptible.

II.4.1 EFECTO DE LAS IMPUREZAS Como fue descrito anteriormente, los elementos de impurezas antimonio, fsforo, estao y arsnico son los mayores fragilizantes y estn ordenados de manera decreciente en su efecto individual (considerando porcentaje en peso). La severidad de la fragilizacin se incrementa con el aumento de la segregacin. En los aceros comerciales, la contribucin a la fragilizacin del antimonio y el arsnico puede ser considerada despreciable. El antimonio debido a que normalmente no est presente, en cantidades importantes en los aceros comercialesy el arsnico debido a que no es un potente fragilizante. En consecuencia las impurezas que es necesario tener en cuenta, por su poder fragilizante y su presencia en los aceros, son el fsforo y elestao.

II.4.2 EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIN Si bien, las impurezas son los elementos determinantes de la fragilizacin por revenido, los aleantes,manganeso, silicio, nquel y cromo aumentan el grado y velocidad de fragilizacin. Cuando estos elementos estn presentes en combinacin su efecto se incrementa. La combinacin ms daina es Ni-Cr, le sigue la Ni-Cr-Mn y Cr-Mn). Por esta razn los aceros Ni-Cr-Mo-V de rotores de turbina son mucho ms susceptibles a la fragilizacin que los aceros Cr-Mo-V.

El molibdeno es el nico elemento que retarda o minimiza la fragilizacin . Este efecto benfico, que es dado por Mo en solucin, puede anularse para largos tiempos de exposicin del acero, en el rango de temperaturas de fragilizacin.

CAPTULO III

III .DAO POR CREEP : METODOLOGIA DEEVALUACION DE LA VIDA RESIDUAL

III.1. INTRODUCCION

La evaluacin de la vida remanente de un componente daado por creep ,puede realizarse por dos caminos ; uno de ellos es el terico y el otro es el experimental.

Nosotros dedicaremos nuestra atencin al experimental especialmente, al relacionado con la evolucin de la estructura (microestructura,cavidades).

Entre los mtodos experimentales podemos mencionar,ensayos acelerados de creep, determinacin de la evolucin de la deformacin, determinacin de la evolucin de las cavidades, determinacin de la evolucin de la microestructura.Nosotros no hablaremos de los ensayos acelerados de creep.

III.2. DETERMINACION DE LA EVOLUCION DELA DEFORMACION DURANTE EL SERVICIO.

Se puede determinar la evolucin de la deformacin por creep que sufre el componente a partir de una tcnica, de simple aplicacin y reciente desarrollo, conocida como tcnica del marcado. Fig.II.1.

Figura III.1

Usualmente, la medida de la deformacin por creep,se realizaba solo cuando existan deformaciones importantes, no existan tcnicas para determinar deformaciones locales.

Este sistema,que usa las rplicas para evaluar la deformacin localizada y a partir de ella la vida remanente del componente,es de desarrollo reciente, de fcil aplicacin y bajo costo.La tcnica consta de las siguientes etapas:

Pulir la superficie (terminacin diamante) Grabar el retculo en la superficie Tomar una rplica como testimonio Realizar una electrodeposicin de nquel para proteger la zona examinada contra la

corrosin. A las 10.000 horas de operacin realizar una nueva inspeccin.Medir la deformacin

biaxial. Realizar esta misma operacin en cada parada programada (ej. cada dos aos) Entrar en la curva de creep del material y determinar su vida remanente.

III.3. DETERMINACION DE LA EVOLUCION DELA ESTRUCTURA.

III.3.1 INTRODUCCIN Independiente de los mtodos a utilizar para evaluar la vida remanente de un componentes necesario, como primer medida, seleccionar los lugares donde se tomaran las rplicas. El criterio de seleccin de los lugares donde se deben tomar las rplicas est basado en experiencias anteriores y aquellos considerados los ms crticos desde el punto de vista del funcionamiento del componente (soldaduras, codos, zonas de ms altas temperaturas, ...) .Fig.III.2.

Figura III.2

Resultados de la literatura indican que existen dos tipos distintos de dao por creep en aceros ferrticos:

Degradacin de la microestructura (ej. esferoidizacin de la perlita,envejecimiento, etc.)que conduce a una continua reduccin de la resistencia al creep del material.

Cavidades por creep asociadas a los lmites de granos.

Ambos procesos ocurren en los aceros ferrticos, la prevalencia de uno u otro est determinada por la pureza del material (contenido de impurezas, P,As, Sny Sb,), tipo de microestructura de partida, condiciones de trabajo (presin - temperatura) y estado de tensiones.

En el caso de las cavidades, influyen en su formacin y crecimiento las impurezas, las tensiones (ej. tensiones residuales) , estructuras aciculares y el tamao de grano. Por estas causas el dao por cavidades se presenta ,particularmente , en la zona afectada por el calor (grano grande y martensita) y en el cordn de soldadura( zona fundida). Fig.II.3. Mientras

que la degradacin de la microestructura est relacionada a zonas del material de ms ductilidad, que corresponde al material base.

III.3.2 DETERMINACIN DE LA VIDA REMANENTE MEDIANTE LA EVOLUCIN DE LAS CAVIDADES.

La mayor parte de las fallas por creep en servicio, ocurrieron en los cordones de soldadura a partir de la nucleacin y crecimiento de cavidades. Este proceso se desarrolla en los antiguos lmites de granos austenticos y estn orientadas normalmente la mxima tensin principal.Estas cavidades coalescen ,se producen fisuras finalizando en la rotura del componente. Por estos motivos, la determinacin de la vida remanente a partir de la evolucin de las cavidades se aplica a la ZAC y los cordones de soldaduras.

Para evaluar la vida remanente de un componente, a partir de la evolucin de las cavidades, existen dos mtodos uno cualitativo y otro cuantitativo de reciente desarrollo.

-Mtodo Cualitativo

El mtodo cualitativo fue desarrollado por Neubauer (1981) el que establece cinco (primero fueron cuatro(Fig.III.4.)) estados del dao por creep a partir de la observacin de las rplicas. Fig. III.5.

Figura III.4

Figura III.5

Dao 1.

Observacin: sin dao

Recomendacin: no es necesaria ninguna medida.

Dao 2.

Observacin: cavidades aisladas; esto aparece al final del estado estacionario del creep.

Recomendacin:reinspeccin en tres aos.

En este caso, no es posible determinar la direccin de la mxima tensin principal a partir de esta observacin.

Dao 3.

Observacin:Cavidades orientadas; esto aparece durante el comienzo del tercer estado del creep ( creep terciario)

Recomendacin:reinspeccin en uno o dos aos.

Dao 4.

Observacin:microfisuras; esto se desarrolla durante el creep terciario.

Recomendacin:reparar ;continuar en servicio por aproximadamente seis meses y reemplazar el componente.

Dao 5.

Observacin:Macrofisuras:esto conduce al final de la rotura por creep del componente.

Recomendacin:parar la planta y reemplazar el componente.

En la Fig.III.6. se muestra un ejemplo para un acero Cr-Mo.

Figura III.6

Estos mtodos que acabamos de ver no cuantifican el dao por creep, slo dan una idea del estado del material y sugiere las acciones a tomar para evitar fallas por creep en servicio.

-Mtodo Cuantitativo.

Para estimar la vida residual es necesario contar con un parmetro microestructural que est ligado al grado del dao y poder correlacionarlo con la fraccin de vida remanente del componente.

Tal parmetro deber reunir las siguientes condiciones;

no deber estar influenciado por el procedimiento de toma de las rplicas. no deber depender de las dimensiones de las cavidades. deber ser de simple aplicacin.

De todos los parmetros posibles el que ms se adapta a estos requerimientos es el denominado Parmetro "A" definido como:

Figura III.7

A= Bordes de granos con cavidades/ Bordes total de granos

La forma de realizar la medicin se puede ver en la Fig.III.7. La lnea que aparece en este esquema es paralela a la direccin de mxima tensin principal.

Un mnimo de 400 granos deben ser contados para tener un valor confiable y preciso. Tambin ,debern trazarse distintas lneas para cada medida.

Una vez obtenido el valor del parmetro "A" se lleva el mismo a una curva de creep ,especfica del material analizado, y de esa forma se determina la vida remanente del componente. En la Fig.III.8. se pueden ver algunos ejemplos.

Figura III.8

EJEMPLO CRECIMIENTO CAVIDADES

Metallurgical evaluation of creep-failed superheater tubes

P.P. Psyllaki a,*, G. Pantazopoulos b, H. Lefakis a

a Department of Engineering and Management of Energy Resources, University of Western Macedonia, Bakola&Sialvera Street, 501 00 Kozani, Greece

b Hellenic Research Centre for Metals S.A. (ELKEME), 252 Piraeus Street, 177 78 Tavros, Athens, Greece

key-words Power-plant superheater, High-temperature tube failure, Short-term creep rupture, Creep void coalescence

ABSTRACT

The present study is focused on the metallurgical factors induced during high-temperatureoperation of a pipeline that resulted in its short-time failure. The pipeline is used as superheaterin a lignite power-plant unit and is constructed by an array of steel tubes jointedtogether by circumferential weldments. Systematic recording of data over one year of serviceindicated that local materials failures were occurring, on an average, every 15 daysand localised either at curved areas of the tubes, or in the neighbourhood of circumferentialweldments. Visual inspection, macrographic examination and microscopic observations ofrepresentative failed parts revealed microstructural features indicative of creep rupture. Inboth cases, the material failed due to the rapid growth and coalescence of creep voids, initiatedat a service temperature equal to 43% of the steel melting point.

Chemical composition of the suggested steel grades (wt%)

C Si Mn P(max) S(max) Cr Mo

15Mo3 1.5415 0.120.20

0.100.35

0.400.90

0.035 0.030 0.25 0.35

13CrMo44 1.7335 0.080.18

0.10-0.35

0.40-1.00

0.035 0.030 0.70-1.10

0.40-0.60

10CrMo910 1.7380 0.060.15

0.40-0.70

0.035 0.030 2.00-2.50

0.90-1.10

Steel grade W.Nr. C Si MnP (max) S (max) Cr Mo

15Mo3 1.5415 0.120.20 0.100.35 0.400.90 0.035 0.030 0.250.35

13CrMo44 1.7335 0.080.18 0.100.35 0.401.00 0.035 0.030 0.701.10 0.400.60

10CrMo910 1.7380 0.060.1560.50 0.400.70 0.035 0.030 2.002.50 0.901.10

Designed Actual

Steam inlet temperature (_C) 370 449

Steam outlet temperature (_C) 443 505

Steam inlet pressure (bar) 186.7

Steam outlet pressure (bar) 183.2

III.3.3 EVALUACIN DE LA VIDA REMANENTE MEDIANTE EL ANLISIS DE LA MICROESTRUCTURA.

III.3.3.1 INTRODUCCIN

Los materiales de un componente, en condiciones normales de operacin, sometidos a la accin simultnea de esfuerzos mecnicos y altas temperaturas, sufren transformaciones de la microestructura con disminucin progresiva de sus propiedades mecnicas. En

condiciones anormales de operacin (Ej. aumento de la temperatura del material) el dao se acelera pudiendo conducir a la rotura en corto tiempo.

Un ejemplo de esta degradacin son los aceros al carbono, usados en calderas que sufren en servicio transformaciones estructurales detectables metalogrficamente.La ms evidente de ellas es la esferoidizacin de los carburos laminares de la perlita que se produce como consecuencia de la disminucin de la energa libre del sistema, que acompaa la disminucin de superficie de la interfasecementita-ferrita al pasar de la forma laminar a la forma esfrica.

La esferoidizacin permite detectar anormalidades en la historia trmica del material. Si en condiciones normales de operacin el proceso de esferoidizacin se completa a lo largo de la vida til de un dado componente de una caldera la presencia , en la microestructura del material, de carburos coalescidos luego de poco tiempo de funcionamiento ser indicio de un funcionamiento a temperaturas superiores a las normales. En otras palabras el componente tendr una vida til inferior a la prevista.

En los aceros de baja y media aleacin ocurre ,durante el servicio, variacin del tipo de precipitados (composicin qumica), morfologa y distribucin ; esta variacin es tambin, lgicamente, funcin del tiempo y de la temperatura. Por lo tanto estudiando estas variaciones es posible determinar la vida remanente de un componente en servicio.

Este mtodo de evaluacin se aplica , en particular para el material base.

III.3.3.2 .EVALUACIN DE LA VIDA REMANENTE A PARTIR DEL GRADO DE ESFEROIDIZACIN DE LA PERLITA.

Los mtodos utilizados para evaluar la vida residual de un componente a partir del grado de esferoidizacin de la perlita son cualitativos y dan una idea del tiempo de vida remanente ,por creep ,del componente analizado. Las correlaciones existentes entre fraccin de vida de creep y microestructura surgen de experiencias en servicio y estudios experimentales de laboratorio ( ensayos acelerados de creep)

La clasificacin ms utilizada corresponde a Toft y Marsden y es la siguiente:(Fig.III.9 )

Figura III.9

Dao A.

Observacin: Ferrita y perlita laminar. Sin dao

Dao B.

Observacin:Comienzo de la esferoidizacin de la perlita. Carburos precipitados en los lmites de granos.

Dao C.

Observacin : Estadio intermedio de esferoidizacin de la perlita.La estructura laminar es todava evidente.

Dao D .

Observacin: La esferoidizacin de la perlita es completa. Los carburos continan agrupados en sus colonias originales de perlita.

Dao E.

Observacin:Carburos dispersos en los granos y lmites de granos de ferrita. No se observan trazas de la estructura ferrtico- perltica original.

Dao F.

Observacin:Carburos dispersos en los granos y lmites de granos de ferrita. Gran cantidad de carburos coalescidos.

Luego de haber determinado el grado del dao se entra en las curvas de las Figs.III.10.y Fig.III.11. y se estima la vida residual del componente analizado.

III.3.3.3 EVALUACIN DE LA VIDA RESIDUAL A PARTIR DE LA INFORMACIN OBTENIBLE DE LAS RPLICAS EXTRACTIVAS.

La resistencia al creep de los aceros al Cr-Mo ,se basan principalmente en dos fuentes: el endurecimiento por solucin slida, de la matriz ferrtica,por el carbono, molibdeno y cromo; y el endurecimiento por precipitacin de carburos.

Por lo general ,la microestructura inicial consiste en ferrita y bainita o martensita conteniendo Fe3C, carburo y finas partculas de carburos del tipo M2C donde M es esencialmente Mo.

Con el incremento del envejecimiento en servicio se producen una serie de alteraciones: cambios de la composicin qumica de la matriz y de los carburos y la variacin de la morfologa y densidad de los carburos.

Los estudios de laboratorio( basados experiencias en servicio) tendientes a la evaluacin de la vida residual, a partir de la informacin obtenibles de las rplicas extractivas, estn orientados al material base y zona afectada por el calor de los componentes.Estos estudios se realizan en aceros de baja, media y alta aleacin.

-Variacin de la densidad de precipitacin

Figura III.10 Figura III.11

Como vimos en I.2. la resistencia al creep de un material depende de las condiciones de servicio( tiempo, temperatura, tensiones) y de la microestructura del material.

Estudios de laboratorio y experiencias en servicio muestran que la resistencia al creep est relacionada con distribucin y dimensin de los precipitados.La mayor parte de estos estudios fueron realizados en aceros del tipo 1Cr- 0.5Mo. Fig.II.12. Existen modelos (Ej. Askins 1989) que permiten, a partir de la determinacin del espaciado entre partculas y de otros parmetros relacionados con las condiciones de servicio y propiedades del material , evaluar la vida residual del componente. Este modelo es vlido para el material base de los aceros 1-1/4%Cr-1/2Mo y 2-1/4%Cr-1%Mo.

Lo delicado de la obtencin y manipulacin de las rplicas y de la determinacin del espaciado entre partculas hacen que este mtodo este an en los primeros estadios de desarrollo para su aplicacin en componentes en servicio.

-Variacin de la composicin.

Los aceros del tipo Mo y/o Cr- Mo son utilizados, a alta temperatura,en estado normalizado, recocido y/o bonificado (templado y revenido).Los carburos presentes en el material( consecuencia de los tratamientos trmicos efectuados al componente) sufren cambios en su composicin qumica durante el servicio a alta temperatura. Este cambio de la composicin, funcin del tiempo y de la temperatura, produce una disminucin de la resistencia al creep del material. Se encontr que se produce un empobrecimiento de soluto en la matriz(Cr, Mo, Mn, Si) y un incremento en la reaccin M23C6/M3C.En principio, el anlisis de la composicin de los carburos y/o y de la cantidad de soluto en la matriz nos podra permitir evaluar la vida residual del componente.Sin embargo este mtodo tropieza, hasta este momento, con varios problemas :

-Los resultados obtenidos, hasta el presente, tienen una gran dispersin.Esto impide obtener una relacin entre estos resultados con la historia( envejecimiento) del componente.

-Se encontr que trazas de ciertos elementos, por ejemplo fsforo, puede llegar a afectar la cintica de evolucin de los carburos.

-Es necesario prestar