M.Sc. Carlos A. Oviedo

Es la rama de la metalurgia que estudia la estructura de un metal-aleacin y la relaciona con la composicin qumica, con las propiedades mecnicas y fsicas. Este estudio es llevado a cabo con la aplicacin de diversas y variadas tcnicas.Es la parte de la metalurgia que estudia las caractersticas estructurales o de constitucin de los metales y aleaciones, para relacionarlas con las propiedades fsicas, mecnicas y qumicas de los mismos.

La importancia del examen metalogrfico radica en que, aunque con ciertas limitaciones, es capaz de revelar la historia del tratamiento mecnico y trmico que ha sufrido el material.

rea de la metalurgia que estudia por medio de microscopa ptica o electrnica las caractersticas microestructurales de un metal o aleacin.

La microestructura puede revelar el tratamiento trmico y/o mecnico, pudindose predecir el comportamiento del componente.

Proceso cientfico fundamental que ha demostrado ser til para proporcionar informacin acerca de la caracterizacin de sustancias y/o materiales. Ej. , Microscopa ptica (imagen), Espectroscopa FT-IR: (Anlisis cuantitativo y cualitativo de sustancias),Determinar las caractersticas (rasgos distintivos) de un material a partir del estudio de sus propiedades (qumicas, mecnicas, fsicas, etc.)INFORMACINComposicin qumica, estructura, topografa, morfologa,.. Interaccin de una seal (elctrica, luminosa, trmica, etc.) con una porcin de dicho material. Supone una agresin a la sustancia o material: perturbacin. Ensayos destructivos o no destructivos. TCNICA DE ANLISIS

SELECCIN DEL MTODO DE ANLISIS

Definicin del Problema:

a) Qu se quiere determinar?b) Qu precisin y exactitud se necesitan? c) De cunta muestra se dispone? d) Cul es intervalo de deteccin que se precisa? e) Cuntas muestras deben analizarse?: Coste por muestra? Facilidad y Comodidad? Velocidad? Coste y disponibilidad del equipo?

Procedimiento general para caracterizar un material

AlgunasTcnicas de caracterizacin

Difraccin de rayos XDeterminacin de estructura cristalinaESTRUCTURA Determinacin de fases y/o compuestos

Usa de diferentes tipos de radiacin del espectro electromagntico para anlisis cualitativos (qu hay) y/o cuantitativos (cunto hay) de un material o sustancia. Se ampli el significado para incluir estudios con otros tipos de radiacin: con iones (masas), electrones (electrones),

FundamentoBasadas en la medida de la intensidad de la radiacin correspondiente a transiciones electrnicas entre el estado fundamental y los estados excitados de los tomos.Radiacin electromagnticaRepresentacin esquemtica de las energas relativas de los electrones para varios niveles y subniveles

T: Espectroscopa de emisin (rayos X, UV, visible (ptica), de electrones)T: Absorcin atmicaEspectroscopa de absorcin (rayos X, UV, visible, IR)

EstadoBasalEstados excitadosEmisinatmicaAbsorcin atmicaTransiciones de los electrones

Tcnica analtica cuantitativa aplicable al anlisis de elementos metlicos, del orden de las ppm o trazas ([

Se basa en la absorcin de radiacin electromagntica por las partculas atmicas, ya que parte de la luz que pasa a travs de esas partculas atmicas es absorbida por los tomos, y es utilizada para pasar a su nivel excitado, disminuyendo as la intensidad de la misma.

Lmpara de ctodo huecoEmite las lneas atmicas caractersticas del elemento a analizar.nodo: TungstenoCtodo: Constituido con el metal cuyo espectro queremos obtener.

Gasificar la muestraAnalitoLlamaHorno de grafitoPlasma

1. El lquido disolvente se evapora, y la muestra permanece seca. 2. Vaporizacin. La muestra slida se evapora a gas. 3. Atomizacin. Los compuestos que componen la muestra se dividen en tomos libres. Proceso de atomizacin

Dispersa las distintas longitudes de onda de la radiacin emitida por la fuente y separa la lnea particular que se desea medir.

Se requiere determinar la concentracin de hierro de unas muestras de aguas superficiales. En primer lugar prepararon disoluciones patrn de hierro cuyas concentraciones se muestran a continuacin y se leyeron las siguientes absorbancias a 510 nm.

a) Construya una curva de calibrado con los datos anteriores y obtenga la ecuacin de la recta en la que relacione la absorbancia con la concentracin de Fe(II).b) Determinar las concentraciones de las muestras de aguas superficiales que se diluyeron en relacin 1/10 en volumen y cuyas absorbancias fueron 0,107; 0,721; 1.538.

Tcnica analtica cualitativa y cuantitativa aplicable al anlisis de varios elementos (metlicos y no metlicos) de forma simultnea.Cada elemento emite un conjunto caracterstico de longitudes de onda discretas en funcin de su estructura electrnica. Mediante la observacin de estas longitudes de onda puede determinarse la composicin elemental de la muestra. Se fundamenta en el anlisis de de los fotones emitidos por los tomos durante su transicin de sus e- desde un estado excitado a un estado de inferior energa.

Excitacin por chispa o arco elctrico

Excitacin por llama

Excitacin por plasmaDifieren en cmo la sustancia alcanza el estado excitado previo a la emisin

Determinacin de composicin qumica de aleaciones (% elemental).

Muestras a evaluar son slidas y libres de suciedad.

Dependiendo del equipo pueden hacerse medidas en el laboratorio o in situ (Depende del equipo).

Principio: Generacin de un arco entre un electrodo metlico y la pieza de trabajo (a analizar). La energa del arco es suficiente para vaporizar una pequea porcin del metal y causar la ionizacin de los tomos de la muestra (mediante la excitacin de electrones), produciendo por tanto emisiones de luz que se procesarn mediante la ptica del instrumento.

(Variacin de la composicin qumica a escala microestructural)

Utilizada en conjunto con el SEM, es una tcnica analtica cualitativa y semicuantitativa aplicable al microanlisis composicional elemental de materiales.Sistema EDXSEM

Cuando un haz de e- de E interacta con la muestra, sta expulsa e- de sus capas internas de sus tomos dejando un espacio vaco que es llenado por un e- de un nivel superior emitiendo fotones de rayos X caractersticos, que son colectados por un detector. Con esta informacin se puede construir un espectrograma donde se representa una intensidad vs. cada valor particular de energa.

Determinar la composicin qumica a escala microestructural.A. cualitativo y semicuantitativo (Z>6) Detecta (Z>11) detecta y cuantifica

Variacin de la composicin qumica a escala microestructural.Mapa de distribucin elementos qumicos.Perfiles de concentracin de elementos en puntos diferentes de la muestra.

EDX: Energy dispersive X-ray: Espectroscopa de dispersin de energa de rayos X

ElementoWt.%Al18Si25S18Ca8,0Ti5,0Fe1,0Mn25

http://www.espectrometria.com

Skoog, D. Anlisis instrumental, 4taEd. 1994. McGraw-Hill/interamericana de Espaa, S.A

http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/caracterizacion-de-materialesMARTINEZ ORELLANA, Adolfo. Microanlisis por dispersin de energas de rayos X (XEDS).

Determinar los atributos peculiares de alguien o de algo, de modo que claramente se distinga de los dems

*Precisinse refiere a la dispersin del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersin mayor la precisin. Una medida comn de la variabilidad es ladesviacin estndarde las mediciones y la precisin se puede estimar como una funcin de ella.

Exactitudse refiere a cun cerca del valor real se encuentra el valor medido. En trminos estadsticos, la exactitud est relacionada con elsesgode una estimacin. Cuanto menor es el sesgo ms exacta es una estimacin.Cuando expresamos la exactitud de un resultado se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero.Tambin es la mnima variacin de magnitud que puede apreciar un instrumento.

La respuesta a la pregunta a) determina cunto tiempo y esmero se precisar para el anlisis. Las respuestas a las preguntas b) y c) determinan cun sensible y a qu intervalo de concentraciones debe adaptarse. La respuesta a la pregunta d) determina la selectividad que requiere el mtodo. La respuesta a la e) es importante porque algunos de los mtodos de anlisis se aplican a materiales compuestos, mezclas heterogneas y disoluciones. Desde un punto de vista econmico, una consideracin importante es el nmero de muestras que se tienen que analizar (pregunta f).

**Utilizacin de diferentes tipos de radiacin del espectro electromagntico para estudios tericos de la estructura de la materia o para anlisis cualitativos y cuantitativos. El uso actual ampla el significado para incluir estudios con otros tipos de radiacin con iones (masas), electrones (electrones), sonido (acstica).

Las radiaciones involucradas en estos procesos son: rayos X, UV, Visible, Infrarrojos.*Absorcin. Cuando la transicin se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del tomo mediante la absorcin de radiacin de una determinada frecuencia (caracterstica para cada tomo) Emisin. En el caso en que los tomos se lleven previamente a un estado excitado y se mide la intensidad de la radiacin emitida a la frecuencia caracterstica correspondiente a la transicin desde el estado excitado al estado fundamental,

EnLa espectrometra de fluorescencia (tambin llamada fluorometra o espectrofluorimetra) es un tipo de espectroscopia electromagntica que analiza la fluorescencia de una muestra. Se trata de utilizar un haz de luz, por lo general luz ultravioleta, que excita los electrones de las molculas de ciertos compuestos y provoca que emitan luz de una menor energa, generalmente luz visible (aunque no necesariamente). Una tcnica complementaria es la espectrometra de absorcin. Cuando la transicin se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del tomo mediante la absorcin de radiacin de una determinada frecuencia (caracterstica para cada tomo), estamos en el caso de las tcnicas de absorcin.

En el caso en que los tomos se lleven previamente a un estado excitado y se mide la intensidad de la radiacin emitida a la frecuencia caracterstica correspondiente a la transicin desde el estado excitado al estado fundamental, hablamos de tcnicas espectrofotomtricas de emisin.

*Tcnica para determinar la concentracin de un elemento metlico determinado en una muestra.

Cuando la radiacin pasa a travs de una capa de un slido, liquido o gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente, por absorcin, un proceso en el que la energa elctrica se transfiere a los tomos, iones o molculas constitutivas de la muestra.

La absorcin promueve a estas partculas desde su estado normal a temperatura ambiente a uno o varios estados excitados de energa ms elevada.

Segn la teora quntica, los tomos, iones o molculas tienen slo un nmero limitado de niveles de energa , y por tanto para que se produzca la absorcin de la radiacin , la energa de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energas entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. Estas diferencias son caractersticas para cada especie. El estudio de las frecuencias de radiacin absorbida proporciona un medio para caracterizar a los constituyentes de una muestra

La espectroscopa de absorcin atmica utiliza la absorcin de la luz para medir la concentracin de tomos en fase gaseosa por lo cual es necesario atomizar la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentren en forma de vapor de tomos Tcnica para determinar la concentracin de un elemento metlico determinado en una muestra.

Cuando la radiacin pasa a travs de una capa de un slido, liquido o gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente, por absorcin, un proceso en el que la energa elctrica se transfiere a los tomos, iones o molculas constitutivas de la muestra.

La absorcin promueve a estas partculas desde su estado normal a temperatura ambiente a uno o varios estados excitados de energa ms elevada.

Segn la teora quntica, los tomos, iones o molculas tienen slo un nmero limitado de niveles de energa , y por tanto para que se produzca la absorcin de la radiacin , la energa de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energas entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. Estas diferencias son caractersticas para cada especie. El estudio de las frecuencias de radiacin absorbida proporciona un medio para caracterizar a los constituyentes de una muestra

La espectroscopa de absorcin atmica utiliza la absorcin de la luz para medir la concentracin de tomos en fase gaseosa por lo cual es necesario atomizar la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentren en forma de vapor de tomos Tcnica para determinar la concentracin de un elemento metlico determinado en una muestra.Cuando la transicin se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del tomo mediante la absorcin de radiacin de una determinada frecuencia (caracterstica para cada tomo),

Cuando la radiacin pasa a travs de una capa de un slido, liquido o gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente, por absorcin, un proceso en el que la energa elctrica se transfiere a los tomos, iones o molculas constitutivas de la muestra.

Cuando la transicin se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del tomo mediante la absorcin de radiacin de una determinada frecuencia (caracterstica para cada tomo),

La absorcin promueve a estas partculas desde su estado normal a temperatura ambiente a uno o varios estados excitados de energa ms elevada.

Segn la teora quntica, los tomos, iones o molculas tienen slo un nmero limitado de niveles de energa , y por tanto para que se produzca la absorcin de la radiacin , la energa de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energas entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. Estas diferencias son caractersticas para cada especie. El estudio de las frecuencias de radiacin absorbida proporciona un medio para caracterizar a los constituyentes de una muestra

La espectroscopa de absorcin atmica utiliza la absorcin de la luz para medir la concentracin de tomos en fase gaseosa por lo cual es necesario atomizar la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentren en forma de vapor de tomos Fuente de radiacin,es por lo general una lmpara de ctodo hueco,que emite las lneas atmicas caractersticas del elemento a analizar.

Este tipo de lmpara consiste denodo de tungsteno y en un ctodo cilndrico, cerrados hermticamente en un tubo lleno de Nen o Argn a una presin de 1 a 5 Torr.El ctodo est constituido con el metal cuyo espectro queremos obtener.rea por donde sale la luz que emite el ctodo es de cuarzo

Al aplicar un potencial lo suficientemente grande,los cationes gaseosos adquieren una energa cintica suficiente para arrancar algunos tomos metlicos de la superficie del ctodo y producir una nube atmica,a este fenmeno se le llama chisporroteo. Una parte de los tomos metlicos desprendidos se encuentran excitadoscon lo que al volver a su estado fundamental emiten una radiacin caracterstica.La eficacia de la lmpara depende de su geometra y del potencial aplicado a la misma.Existen lmparas para realizar anlisis multielemental cuyo ctodo est recubierto de diferentes metales, pudiendo emitir as,sus espectros caractersticos.Se requiere que la radiacin de la fuente est modulada para eliminar las posibles interferencias producidas por la llama y amplificar selectivamente la luz de la lmpara.Para eliminar la seal no modulada se puede utilizar un filtro RC de paso alto.El funcionamiento de la lmpara de ctodo hueco consiste en que al someterla a una descarga se produce la ionizacin del gas y los iones de Ar+ chocan contra el interior del ctodo hueco arrancndole los tomos de la superficie del ctodo y produciendo una nube atmica.Una parte de los tomos metlicos desprendidos se encuentran en estados excitados y al volver a su estado elemental emiten radiacin de su longitud de onda caracterstica (la misma que el elemento a determinar). Al final los tomos metlicos vuelven a depositarse difundiendo de nuevo hacia la superficie del ctodo o hacia las paredes de vidrio del tubo.Una desventaja de los mtodos espectroscpicos de llama es que la muestra se debe introducir en la fuente de excitacin necesariamente disuelta, por lo general en agua. Desafortunadamente, muchos materiales de inters , tales como suelos, tejidos animales, plantas, derivados del petrleo, minerales, metales, no son directamente solubles en los disolventes comunes y con frecuencia se requiere de un tratamiento previo laborioso para obtener una disolucin de analito adecuada para la atomizacin. De hecho las etapas de descomposicin y disolucin a menudo introducen ms errores que las propias medidas espectroscpicas.

Para analizar los constituyentes atmicos de una muestra es necesario atomizarla. Se necesita calor para gasificar la muestra. El calor se genera desde una llama u horno de grafito. AAS por llama puede solamente analizar soluciones, mientras que AAS con horno puede analizar soluciones, hidrogeles y muestras slidas. Un atomizador de llama consiste en un nebulizador el cual transforma la muestra en un aerosol que alimenta el quemador.

Una muestra de lquido normalmente se convierte en gas atmico en tres pasos: 1. Desolvacin. El lquido disolvente se evapora, y la muestra permanece seca. 2. Vaporizacin. La muestra slida se evapora a gas. 3. Atomizacin. Los compuestos que componen la muestra se dividen en tomos libres.

Los tomos absorben la luz visible o ultravioleta y realizan transiciones a niveles electrnicos de mayor energa. La concentracin del analito se determina por la cantidad de absorcin. Aplicando la ley de Lambert-Beer directamente en la espectroscopa .

Tcnica para determinar la concentracin de un elemento metlico determinado en una muestra.

Cuando la radiacin pasa a travs de una capa de un slido, liquido o gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente, por absorcin, un proceso en el que la energa elctrica se transfiere a los tomos, iones o molculas constitutivas de la muestra.

La absorcin promueve a estas partculas desde su estado normal a temperatura ambiente a uno o varios estados excitados de energa ms elevada.

Segn la teora quntica, los tomos, iones o molculas tienen slo un nmero limitado de niveles de energa , y por tanto para que se produzca la absorcin de la radiacin , la energa de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energas entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. Estas diferencias son caractersticas para cada especie. El estudio de las frecuencias de radiacin absorbida proporciona un medio para caracterizar a los constituyentes de una muestra

La espectroscopa de absorcin atmica utiliza la absorcin de la luz para medir la concentracin de tomos en fase gaseosa por lo cual es necesario atomizar la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentren en forma de vapor de tomos En el caso en que los tomos se lleven previamente a un estado excitado y se mide la intensidad de la radiacin emitida a la frecuencia caracterstica correspondiente a la transicin desde el estado excitado al estado fundamental, hablamos de tcnicas espectrofotomtricas de emisin.

Pueden identificarse tres clases diferentes de procesos de emisin que difieren en cmola sustancia alcanza el estado excitado previo a la emisin:a) Excitacin por chispa o arco elctricob) Excitacin en llamac) Excitacin en plasmasoldadura, debido a que se pueden realizaridentificaciones positivas del metal depositado, as como del metal base.El principio en el que se basa el espectrmetro es el de la generacin de un arco entre un electrodo metlico y la pieza de trabajo (a analizar). La energa del arco es suficiente para vaporizar una pequea porcin del metal y causar la ionizacin de los tomos de la muestra (mediante la excitacin de electrones), produciendo por tanto emisiones de luz que se procesarn mediante la ptica del instrumento.

Cuando se pasa luz blanca a travs de un prisma se obtiene un espectro continuo de luz (Figura izquierda). Sin embargo, cuando la luz emitida por los tomos excitados del metal se pasa a travs del prisma, se observa que la radiacin consiste en simples lneas espectrales (Figura derecha). Precisamente la posicin de dichas lneas en el espectro es caracterstica de los elementos que las causan, de ah que se puedan identificar. Adems,si de alguna manera se mide la intensidad de dichas lneas se podra determinar la cantidad de dichos elementos en el metal que se analiza.

.3ESPECTROSCOPADEDISPERSINDEENERGA(EDS)La tcnica de caracterizacin EDS utiliza los rayos X carctersticos provenientes de unamuestra para identificar y cuantificar los porcentajes atmicos de los elementos presentesen ellal. Consiste en bombardear al objeto con electrones primarios los cuales si tienen laenerga apropiada generan la emisin de rayos X caractersticos provenientes de la muestrabajo anlisis. Cuando el haz de electrones de alta energa interacta con la muestra, expulsaelectrones de las capas internas dejando vacancias. Con esto se tiene un tomo ionizado elcual regresa a su estado fundamental emitiendo fotones de rayos X carctersticos. Estastransiciones electrnicas en forma de fotones de rayos X corresponden a transiciones entrecapas externas y la capa K Esta espectroscopa se realiza habitualmente en un microscopioelectrnico. El componente principal de un espectrmetro EDS es un detector de estadoslido el cual produce por cada fotn incidente un pulso de voltaje proporcional a suenerga. Cada vez que un fotn de rayos X incide sobre el detector se crea una pequeacorriente producto de la remocin de un electrn del detector hecho generalmente de silicio.Cada electrn eyectado consume una energa de alrededor de 3.8 eV suministrada por elhaz de rayos X. Por lo tanto, un fotn de rayos X que tuviera una energa inicial de 7.471eV (Ni Ka) producir una corriente de 1.966 electrones. As, la energa inicial de cada fotnde rayos X se podr determinar midiendo la cantidad de corriente producida. Con estainformacin, se podr construir un histograma que cuenta el nmero de fotones de rayos Xexistentes en cada valor particular de energa.

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