técnicas experimentales influencia de si y ta en...

Técnicas experimentales

Influencia de Si y Ta en RAFMs

42

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

43



44

5 TECNICAS EXPERIMENTALES

Para la caracterización de la microestructura de cada uno de estos aceros así como la

determinación de la composición química se han utilizado diferentes técnicas

experimentales con el fin de obtener unos resultados claros y precisos, pudiéndose

observar con esto las analogías y diferencias entre los diferentes aceros, para poder

concretar cuál de ellos posee mejores características tanto estructurales como mecánicas

para su uso en aplicaciones nucleares.

5.1 Espectrometría de fluorescencia de rayos X

Es la técnica utilizada para obtener información cualitativa y cuantitativa de la

composición elemental de una muestra. En una sola determinación es posible identificar

y detectar cualquier elemento del sistema periódico a partir del flúor, lo cual la

convierte en una técnica atractiva para la determinación de elementos mayores y

menores en una gran variedad de muestras sólidas.

La fluorescencia de rayos X es una técnica espectroscópica que utiliza la emisión

secundaria o fluorescente de radiación X generada al excitar una muestra con una fuente

de radiación X. La radiación X incidente o primaria expulsa electrones de capas

interiores del átomo. Los electrones de capas más externas ocupan los lugares vacantes,

y el exceso energético resultante de esta transición se disipa en forma de fotones,

radiación X fluorescente o secundaria, con una longitud de onda característica que

depende del gradiente energético entre los orbitales electrónicos implicados, y una

intensidad directamente relacionada con la concentración del elemento en la muestra,

pudiéndose determinar de esta forma las cantidades de cada elemento presentes en la

muestra [20].



45

Imagen 13. Espectroscopia de rayos X [21].

Esta técnica muestra una serie de ventajas bastante significativas:

- Es un análisis no destructivo, ya que la medida de elementos químicos no

necesita destrucción previa de la muestra.

- No se necesita realizar ningún tratamiento (ni físico ni químico) previo a la

muestra.

- Se pueden realizar las medidas en condiciones de vacío o incluso condiciones

atmosféricas.

- El software muestra resultados de fácil interpretación.

- Variedad de muestras. Existen pocos métodos analíticos que permitan tal

variedad de formas y tipos de muestras como la fluorescencia de rayos X. Las

muestras pueden estar en forma de sólidos, pastillas, polvos, líquidos, películas

finas e incluso gases. El material puede ser metal, mineral, cerámico, vidrio,

plástico, etc. La forma y el tamaño pueden ser muy variables.

- Rango de concentraciones. Es aplicable en un rango extremadamente amplio de

concentración y desde el 100% al 0,0001%, en los casos más favorables.



46

- Las interferencias espectrales (a no ser que exista un número muy elevado de

elementos, 30-40), son relativamente infrecuentes; en el caso de que existan, hay

muchas formas de evitarlas o corregirlas [22, 23].

En cuanto a la determinación de la composición química de estos aceros se usó

espectrometría de rayos X mediante el espectrómetro SIEMENS-SRS-3000.

Imagen 14. Espectrómetro Siemens SRS 3000 [24].

5.2 Microscopía óptica

El microscopio óptico metalográfico estudia las características estructurales y de

constitución de los productos metalúrgicos, para relacionarlos con sus propiedades

físicas y mecánicas. Este instrumento emplea aumentos que oscilan entre los 5X y

2000X.

Su funcionamiento está basado en la reflexión de un haz de luz horizontal que proviene

de una fuente. Dicha reflexión se produce, por medio de un reflector de vidrio plano,

hacia abajo, a través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra.

Parte de esta luz incidente, reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al

pasar a través del sistema inferior de lentes, llegará al objetivo y continuará hacia arriba

a través de un reflector de vidrio plano, para posteriormente amplificarse de nuevo en el

sistema superior de lentes (ocular) [25].



47

En esta investigación se ha utilizado el microscopio Nikon Modelo Epiphot 200, con

aumentos que varían entre los 5X y 100X.

Imagen 15. Funcionamiento microscopio óptico (izq.). Microscopio Nikon Modelo Epiphot 200 (dcha.) [26].

El examen microscópico proporciona información sobre la constitución del metal o

aleación, pudiéndose determinar características tales como forma, tamaño, y

distribución de grano, inclusiones y microestructura metalográfica en general. La

microestructura puede reflejar la historia completa del tratamiento mecánico o térmico

que ha sufrido el metal. Para la observación de muestras en este instrumento es

necesario seguir una serie de pasos para la preparación metalográfica de las mismas

[27].

5.2.1 Preparación de las muestras

- Corte metalográfico: Para ello se suele usar una cortadora metalográfica. Este

equipo posee un disco de corte por abrasión, que corta la muestra rápidamente.

Es muy importante el suministro continuo de algún refrigerante, debido a que un

calentamiento de la muestra podría ocasionar cambios microestructurales en la



48

misma. El equipo usado en este proyecto ha sido la cortadora Discotom-2 de la

marca Struers.

Imagen 16. Cortadora Discotom-2 (Struers).

- Empastillado: Consiste en embutir la muestra en algún producto como bakelita

(resina termoendurecible), lucite, etc…, de forma que el conjunto sea manejable

manualmente o adecuado para insertarlos en los alojamientos de los dispositivos

de caracterización. En este trabajo se ha utilizado la embutidora CitoPress-10 de

la marca Struers, y la resina utilizada ha sido bakelita.

Imagen 17. Embutidora CitoPress-10 (Struers).



49

- Desbaste: Se usa para poner al descubierto la superficie del material, eliminando

todo lo que pudiera obstaculizar su examen, a la vez que se obtiene una

superficie plana con pequeña rugosidad. Consiste en frotar la superficie de la

probeta sobre una serie de papeles abrasivos, cada vez más finos, de forma que

cada fase será completada cuando desaparezcan todas las rayas producidas por el

paso en el papel abrasivo anterior. La lijadora utilizada en esta investigación ha

sido la Knuth-rotor 2 de la marca Struers.

Imagen 18. Lijadora Knuth-rotor 2 marca Struers.

- Pulido: Lo que se pretende en este paso es la eliminación de cualquier raya

presente en la muestra como consecuencia de los pasos anteriores. El pulido

finaliza cuando la superficie de la muestra es especular. Esto se logra mediante

la utilización de un abrasivo fino, el cual se coloca sobre un disco rotatorio

cubierto de un paño y ejerciendo la presión correcta entre la pieza y el paño se

logra el acabado deseado. Existen diferentes tipos de abrasivo, entre los que se

encuentran el polvo de diamante, alúmina, óxido de magnesio, etc. La pulidora

usada en este proyecto ha sido la LaboPol 6 de la marca Struers y el abrasivo

usado ha sido alúmina.



50

Imagen 19. Pulidora LaboPol 6 marca Struers.

- Ataque químico: El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal

ya que atacará los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las

distintas fases presentes en el metal. Para cada metal y aleación se utiliza un

reactivo de ataque diferente. En el caso del acero el más utilizado es el NITAL,

que se prepara disolviendo un 5% de ácido nítrico en etanol. El ataque se puede

usar por frotamiento con un algodón impregnado de reactivo sobre la superficie

de la muestra o mediante inmersión de la probeta en dicho reactivo. Para este

proyecto se ha usado un reactivo que se usa para atacar aceros inoxidables, se

trata de una solución que contiene 5 gramos de cloruro férrico (FeCl3) y 5

centímetros cúbicos de ácido clorhídrico (HCl) en 100 centímetros cúbicos de

agua [28, 29].

Imagen 20. Ataque químico.



51

5.3 Microscopía electrónica de barrido (SEM)

La microscopia electrónica de barrido o SEM se basa en el principio de la microscopia

óptica en la que se sustituye el haz de luz por un haz de electrones. Con esto se consigue

una resolución de hasta 100 Å, muy superior a cualquier instrumento óptico.

Su funcionamiento consiste en hacer incidir un haz de electrones sobre la muestra y

realizar un barrido sobre ésta, la cual, salvo que ya sea conductora está generalmente

recubierta con una capa muy fina de oro o carbón, lo que le otorga propiedades

conductoras. La técnica de preparación de las muestras se denomina “sputtering” o

pulverización catódica.

Al alcanzar el haz la superficie de la muestra se recogen en colectores principalmente

las siguientes partículas:

- Electrones retrodispersados: son electrones del haz incidente que han

interaccionado con los átomos de la muestra y han sido rebotados.

- Electrones secundarios: Son electrones de baja energía (decenas de eV) que

resultan de la emisión de electrones por parte de los átomos constituyentes de la

muestra (los más cercanos a la superficie) debido a la colisión con el haz

incidente.

- Además de esto, también se recogen rayos X y otras partículas menos

significativas.



52

Imagen 21. Funcionamiento del SEM [30].

Este equipo consta de una fuente de electrones y lentes magnéticas que aceleran y

focalizan este haz de electrones, además del sistema de vacío, que es una parte muy

importante de estos microscopios electrónicos, ya que, debido a que los electrones

pueden ser desviados por las moléculas del aire, se debe hacer un vacío casi total en el

interior de un microscopio de estas características. Para conseguir este flujo constante

de electrones se debe operar a bajas presiones. Esto se realiza para favorecer el contraste

de carga entre cátodo y tierra sin que se produzca un arco eléctrico.

Además, el microscopio se encuentra internamente equipado con unos detectores que

recogen la energía y la transforman en imágenes y datos:

- Detector de electrones secundarios (SEI – Secundary Electron Image): es el

que ofrece la imagen en blanco y negro de la topografía de la superficie

examinada. Es la señal más adecuada para la observación de la muestra por ser

la de mayor resolución.



53

- Detector de electrones retrodispersados (BEI – Backscattered Electron

Image): Con menor resolución de imagen pero mayor contraste para ver

diferente composición. Su ventaja consiste en que es sensible a las variaciones

en el número atómico de los elementos presentes en la superficie. Si se tiene una

superficie totalmente lisa se observará distintos tonos de gris en función de que

existan varias fases con distintos elementos.

- Detector de energía dispersiva (EDX – Energy Dispersive Spectrometer): es

el que recibe los rayos X procedentes de cada uno de los puntos de la superficie

sobre los que pasa el haz de electrones. Como la energía de cada rayo X es

característica de cada elemento, se puede obtener información analítica

cualitativa y cuantitativa de áreas del tamaño que se desee de la superficie [30,

31].

5.3.1 Preparación de las muestras para SEM

Muestras conductoras

En el caso de tener muestras con buenas características conductoras la preparación de

las mismas consistirá en realizar las técnicas de preparación metalográfica citadas para

el estudio en microscopía óptica.

Muestras no conductoras: Sputtering o pulverización catódica

Como se ha comentado anteriormente, la característica fundamental para que una

muestra pueda ser analizada mediante microscopía electrónica de barrido es que sea

conductora, ya que la superficie de muestras aislantes se puede cargar y producir una

distorsión de las imágenes obtenidas con el microscopio, necesitándose en ese caso la

deposición de una capa conductora sobre la superficie de la muestra.



54

El Sputtering es uno de los métodos para la deposición de láminas delgadas que más se

usa en la actualidad. Su popularidad deriva de la sencillez de su proceso físico, de la

versatilidad de la técnica y de su flexibilidad. Es una técnica en la cual se produce la

vaporización de los átomos de una muestra (llamada blanco) mediante el bombardeo por

iones enérgicos. Se trata de bombardear la superficie del blanco que se quiere evaporar

con iones de un gas (se suele usar Argón) de elevada energía, para que estos transmitan

su energía a los átomos del blanco que, de esta manera, es pulverizado. Los átomos así

arrancados pueden después depositarse sobre un sustrato para formar láminas delgadas

o recubrimientos (generalmente de oro). De esta forma, materiales que, debido a su alto

punto de fusión, se evaporan con dificultad o no se evaporan mediante otras técnicas,

pueden ser depositados con facilidad con la técnica de Sputtering.

La pulverización catódica se usa para la obtención de imágenes de electrones

secundarios, ya que el oro es uno de los materiales que origina mayor emisión,

conduciendo a mejores resultados [32, 33].

Imagen 22. Esquema de la técnica de Sputtering [33].



55

En esta investigación las imágenes de SEM y espectros de rayos X se han obtenido con

un microscopio JEOL 6460LV.

Imagen 23. Microscopio SEM JEOL 6460 LV [34].

5.4 Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

Permite la observación de muestra en cortes ultra finos. Este equipo dirige el haz de

electrones hacia la muestra que se desea estudiar. Una parte de los electrones

rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen

aumentada de la muestra. Para utilizar este microscopio debe prepararse la muestra

en capas finas, del orden de las 50-70µm de espesor y los 3mm de diámetro. Se

coloca una placa fotográfica o una pantalla fluorescente detrás del objeto para

registrar la imagen aumentada. Los microscopios electrónicos de transmisión

pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces [35].



56

Imagen 24. Funcionamiento del TEM [36].

Al igual que el SEM, este equipo consta de una fuente de electrones y lentes

magnéticas que aceleran y focalizan este haz de electrones, además del sistema de

vacío. Una vez atravesada la muestra, se encuentra el sistema de formación de la

imagen, que consta de la lente condensadora, y la lente objetivo, seguida de una lente

proyectora. La lente objetivo es la más importante de todo el equipo, puesto que la

resolución de la imagen depende fundamentalmente de su calidad y de la buena

corrección de sus errores.

La lente condensadora focaliza el haz de electrones, y la lente objetivo forma una

primera imagen de la muestra, real e invertida, que no es más que una distribución

espacial de intensidades. Posteriormente, las lentes proyectoras aumentan la imagen

producida por la lente objetivo y la proyectan sobre una pantalla fosforescente o una

placa fotográfica. También hay un sistema de registro de la imagen, que suele ser una

computadora.



57

En cuanto a la información que nos proporciona el TEM, si la imagen se forma a partir

del haz transmitido, que no ha sufrido dispersión, entonces la imagen del objeto es

oscura sobre un fondo brillante (imagen en campo claro). Si, por el contrario, se utilizan

los electrones dispersados en este caso la imagen aparece brillante sobre un fondo

oscuro (imagen en campo oscuro), siendo las imágenes en campo claro las de mayor

aplicación.

Además de emplear la transmisión/dispersión de los electrones para formar imágenes,

permite obtener patrones de difracción, que son imágenes de distintos puntos ordenados

respecto a un punto central (electrones transmitidos no desviados) que aportan

información sobre la orientación y la estructura de los cristales presentes en la muestra.

De la misma forma que el SEM, este microscopio también puede usar los rayos X

emitidos para conocer la composición química de la muestra (EDS) [37, 38].

Para este estudio se utilizó un equipo Philips CM20 del departamento de Materiales de

la Universidad de Oxford, para la obtención de imágenes en campo claro y patrones de

difracción.

Imagen 25. Microscopio Philips CM20 [39].



58

5.4.1 Técnicas de preparación de muestras para TEM

Como ya es sabido, las muestras que van a ser observadas por TEM deben ser

ultrafinas, para poder ser atravesadas por los electrones. Para conseguir esto existen

diversas técnicas, entre las que destacan el electropulido y el adelgazamiento iónico.

5.4.1.1 Electropulido

El electropulido es un método convencional que consiste en adelgazar las muestras

mediante ataque electroquímico. Para los aceros de esta investigación se ha usado como

electrolito 5% de HClO4 + 95% CH3OH. Anterior al electropulido, los discos se

afinaron hasta 50 micras con el fin de minimizar los efectos magnéticos. Para el

electropulido se usaron temperaturas en torno a -40ºC y tensiones de 20 V durante un

tiempo de entre 1 y 2 minutos. El metal que va a ser pulido, en este caso el acero, actúa

como ánodo en una celda electrolítica. Los reactivos oxidantes van disolviendo la

muestra y se va formando una capa viscosa, formada por los productos de la disolución.

El espesor de esta capa no es constante, siendo mayor en los valles y por tanto de mayor

resistencia eléctrica que la de la propia muestra. Las condiciones ideales para el

electropulido, se basan en la formación de una capa viscosa entre el electrolito y la

muestra, debido a que el reactivo oxidante al estar en ese medio viscoso puede

permanecer mayor tiempo en contacto con la superficie a pulir.

Imagen 26. Variación de la zona delgada respecto del espesor [40].



59

Para el desarrollo de esta investigación se utilizó el equipo TenuPol-5, que se muestra

en la imagen 27. Éste es un equipo de última generación y avanzada tecnología,

diseñado especialmente para la fabricación de láminas delgadas.

El equipo incorpora una célula fotoeléctrica como regulador de sensibilidad para

detectar la formación del orificio, cuando éste se produce inmediatamente y en forma

automática interrumpe el proceso. Lo anterior significa que el flujo de electrolito se

detiene inmediatamente para prevenir la pérdida del área delgada.

El equipo cuenta con dos lanza - chorros (jets) de diámetro igual a 3mm, que bombean

directamente cada cara de la muestra. Su objetivo es erosionarla hasta lograr un pequeño

orificio generalmente en el centro de ésta, o en su defecto en algún punto cercano. Los

bordes de los orificios son llamados cuñas y son éstos lo suficientemente delgados para

permitir la observación por TEM [40].

Imagen 27. Tenupol 5 [40].



60

5.4.1.2 Adelgazamiento iónico

Esta técnica se basa en el bombardeo de la muestra con iones enérgicos, de forma que se

desprende material de la misma hasta que es lo suficientemente delgada como para

poder ser estudiada mediante TEM. El gas que se ioniza suele ser Argón, que se acelera

sobre la superficie de la muestra produciéndose el pulido de la misma. Las principales

variables que influyen en esta técnica por parte del haz son la energía, masa, carga y

ángulo de incidencia, mientras que por parte de la muestra son la densidad, masa

atómica, cristalinidad, estructura atómica y orientación.

Durante el proceso se puede producir la penetración en el material, aunque este efecto

se puede reducir inclinando el plano de la muestra hacia la paralela del haz que está

incidiendo .Aunque inclinaciones por debajo de 5º evitan adelgazamientos

preferenciales, este hecho puede inducir a fenómenos como la implantación iónica. Éste

se puede reducir a bajos ángulos, aunque es imposible de evitar completamente.

Por otro lado, es recomendable la refrigeración durante este proceso, ya que debido al

bombardeo del haz de iones se pueden alcanzar temperaturas superiores a 200ºC, de este

modo se consigue reducir la contaminación y el daño en la superficie de las muestras

mediante la reducción de la migración atómica [41].

Imagen 28. Adelgazamiento iónico [41].



61

5.5 Horno para tratamientos térmicos

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a

temperaturas y condiciones determinadas a las que se someten ciertos materiales como

el acero para conseguir propiedades y características más adecuadas para su empleo o

transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como

los constituyentes estructurales, y como consecuencia las propiedades mecánicas.

El horno es un elemento principal para realizar los tratamientos térmicos. Es un

instrumento constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el

control y regulación del tiempo, de la temperatura, de la atmósfera, y de las velocidades

de calentamiento y enfriamiento.

En este estudio se utilizó un horno de la marca HERAEUS, que se encuentra en el

laboratorio de materiales de la Escuela de Ingenieros de Sevilla.

Imagen 29. Horno empleado para el tratamiento térmico de estos aceros.



62

5.6 Ensayo de dureza

El ensayo de dureza es uno de los más empleados en la selección y control de calidad de

los metales. Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del material y

no representa ninguna propiedad fundamental de la materia. Se evalúa

convencionalmente por varios procedimientos, aunque el más usado en metales es la

resistencia a la penetración de un indentador de determinada geometría. La dureza se

mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de

indentador empleado y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas,

adecuadas para distintos rangos de dureza. Las escalas más usadas son la Brinell,

Rockwell, Shore (que pertenecen al grupo de escalas de macrodureza) además de las

escalas Knoop y Vickers (que pertenecen al grupo de escalas de microdureza).

En este trabajo la escala de dureza empleada para los aceros de activación reducida será

la escala Vickers. El ensayo Vickers es una prueba de dureza por penetración, en la cual

se usa una máquina calibrada para aplicar una carga por medio de un indentador de

diamante piramidal de base cuadrada de 136º de ángulo entre caras opuestas sobre la

superficie del material bajo prueba. El ensayo consiste en hacer sobre la superficie de la

probeta una huella romboédrica con el penetrador en forma de pirámide y medir las

diagonales de dicha huella después de aplicar la carga.

El número de la dureza Vickers se determina relacionando la carga aplicada y el área de

la superficie dejada por la huella después de quitar la carga.

Ecuación 1. Dureza Vickers [42].

http://es.wikipedia.org/wiki/Dur%C3%B3metro



63

Donde HV es el número de dureza de Vickers, P es la carga aplicada (kgf o N) y d es la

diagonal promedio de la huella (mm) [42, 43].

Para este trabajo se ha empleado el microdurómetro Duramin A300 de la marca Struers.

Imagen 30. Microdurómetro Duramin A300.

técnicas experimentales influencia de si y ta en...

Documents