CARACTERIZACIÓN CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURALMICROESTRUCTURAL

SEMESTRE 2015-1SEMESTRE 2015-1

Concepto de microestructuraConcepto de microestructura

Microestructura es un término muy general que es usado para cubrir un rango amplio de características estructurales, desde aquellas visibles al ojo humano hasta aquellas correspondientes a distancias interatómicas en la red cristalinas.

La microestructura de un material ingenieril es el resultado de su composición química y de su procesamiento (Proceso de formado, tratamiento térmico, trabajado mecánico, etc.).

La microestructura determina las propiedades físicas, químicas y mecánicas del material y consecuentemente su desempeño como material ingenieril.

Composición química

Tratamiento térmico o procesamiento

Propiedades mecánicas, químicas y físicas

Los conceptos como: tamaño de grano, Los conceptos como: tamaño de grano, orientación preferencial o fracción orientación preferencial o fracción volumen de precipitados, son expresiones volumen de precipitados, son expresiones desarrolladas para establecer relaciones desarrolladas para establecer relaciones entre las propiedades mecánicas de un entre las propiedades mecánicas de un material con la microestructura.material con la microestructura.

La caracterización microestructural La caracterización microestructural incluye tres aspectosincluye tres aspectos

Identificación de las distintas fases Identificación de las distintas fases cristalográficas que están presentes en un cristalográficas que están presentes en un material ingenieril, material ingenieril,

La morfología de estas fases (su tamaño, forma La morfología de estas fases (su tamaño, forma y distribución en el espacio) yy distribución en el espacio) y

La composición química de estas fases, a nivel La composición química de estas fases, a nivel cualitativo y cuantitativo.cualitativo y cuantitativo. En ocasiones no solo En ocasiones no solo será necesario determinar los elementos que se será necesario determinar los elementos que se encuentran presentes en el material sino será encuentran presentes en el material sino será necesario determinar la composición local a necesario determinar la composición local a través de un microanálisis.través de un microanálisis.

En términos generales En términos generales la caracterización la caracterización microestructuralmicroestructural se lleva a cabo en una se lleva a cabo en una probeta cuidadosamente y probeta cuidadosamente y adecuadamente preparada ya sea a adecuadamente preparada ya sea a través de la interacción de un haz de luz, través de la interacción de un haz de luz, de rayos X o con un haz de electrones de de rayos X o con un haz de electrones de alta energía. Esta interacción puede ser alta energía. Esta interacción puede ser de tipo elástico o inelástico.de tipo elástico o inelástico.

Procesos de dispersión elásticaProcesos de dispersión elástica

No hay cambio en la energía de la No hay cambio en la energía de la radiación incidente, solo puede cambiar radiación incidente, solo puede cambiar de dirección. Por ejemplo la difracción de de dirección. Por ejemplo la difracción de rayos X., la reflexión de la luz.rayos X., la reflexión de la luz.

Procesos de dispersión Procesos de dispersión inelásticainelástica

Hay cambio en la energía de la radiación Hay cambio en la energía de la radiación incidente, dando lugar otro tipo de incidente, dando lugar otro tipo de radiación. Por ejemplo la fluorescencia de radiación. Por ejemplo la fluorescencia de rayos X.rayos X.

Relación estructura -Relación estructura -propiedadespropiedades

No es sólo suficiente resaltar que la No es sólo suficiente resaltar que la caracterización microestructural es caracterización microestructural es importante, es necesario conocer cuales importante, es necesario conocer cuales propiedades son sensibles a la propiedades son sensibles a la microestructura y cuales no los son.microestructura y cuales no los son.

Propiedades insensibles a la Propiedades insensibles a la microestructuramicroestructura

El módulo elástico se puede considerar como El módulo elástico se puede considerar como una propiedad insensible a la microestructura, una propiedad insensible a la microestructura, aunque por ejemplo se incurren en un error al aunque por ejemplo se incurren en un error al considerar que todos los aceros tienen el mismo considerar que todos los aceros tienen el mismo módulo de Young. De hecho se observa un módulo de Young. De hecho se observa un ligero cambio en el modulo elástico con la ligero cambio en el modulo elástico con la temperatura (+- 10% ), asociado con los temperatura (+- 10% ), asociado con los elementos de aleación, trabajado mecánico y elementos de aleación, trabajado mecánico y tamaño de grano de los aceros.tamaño de grano de los aceros.

…………

El coeficiente de expansión térmica es El coeficiente de expansión térmica es otro ejemplo de una propiedad que esta otro ejemplo de una propiedad que esta menos afectada por los cambios menos afectada por los cambios microestructurales, los mismo podemos microestructurales, los mismo podemos decir de la gravedad específica de un decir de la gravedad específica de un sólidosólido

En contraste, por ejemplo el límite En contraste, por ejemplo el límite elástico, es una función de varios elástico, es una función de varios parámetros microestructurales: tamaño de parámetros microestructurales: tamaño de grano, densidad de dislocaciones, y la grano, densidad de dislocaciones, y la distribución y fracción volumen de distribución y fracción volumen de partículas de segunda fase.partículas de segunda fase.

La conductividad térmica y la resistividad La conductividad térmica y la resistividad eléctrica son también propiedades eléctrica son también propiedades sensibles a la microestructura.sensibles a la microestructura.

Una aleación tratada térmicamente puede Una aleación tratada térmicamente puede tener una gran afectación en su tener una gran afectación en su conductividad, ya que con frecuencia la conductividad, ya que con frecuencia la conductividad térmica y eléctrica son conductividad térmica y eléctrica son reducidas drásticamente debido a la reducidas drásticamente debido a la presencia de elementos de aleación en presencia de elementos de aleación en solución sólida en la matriz.solución sólida en la matriz.

Otro propiedad que se ve muy afecta por Otro propiedad que se ve muy afecta por las características microestructurales es las características microestructurales es la resistencia a la fractura. La cual la resistencia a la fractura. La cual depende del tamaño de grano, y se ve depende del tamaño de grano, y se ve afectada por la segregación.afectada por la segregación.

Se han desarrollado ecuaciones empíricas Se han desarrollado ecuaciones empíricas para establecer relaciones entre la para establecer relaciones entre la estructura y propiedades: por ejemplo la estructura y propiedades: por ejemplo la ecuación de Petch.ecuación de Petch.

yy = = 00 + k + kyyDD-1/2-1/2

Desde el punto de vista del tamaño de las Desde el punto de vista del tamaño de las características estructurales podemos hablar de:características estructurales podemos hablar de:

Macroestructura, Macroestructura, Mesoestructura, Mesoestructura, Microestructura y Microestructura y NanoestructuraNanoestructura

La La macroestructura macroestructura se refiere a aquellas se refiere a aquellas características que son visible al ojo características que son visible al ojo humano o detectables por medio de humano o detectables por medio de métodos no destructivos ( Líquidos métodos no destructivos ( Líquidos penetrantes, radiografía o ultrasonido).penetrantes, radiografía o ultrasonido).

La La mesoestructuramesoestructura es un término menos común, sin es un término menos común, sin embargo es útil para describir aquellas características embargo es útil para describir aquellas características que están en el límite visible. Esto es particularmente que están en el límite visible. Esto es particularmente el caso con las propiedades de materiales el caso con las propiedades de materiales compuestos, que esta dominadas por el tamaño , compuestos, que esta dominadas por el tamaño , distribución y fracción volumen de partículas de distribución y fracción volumen de partículas de reforzamiento, inicio de grietas, y otras formas de reforzamiento, inicio de grietas, y otras formas de defectos ( tales como burbujas de gas, etc ).defectos ( tales como burbujas de gas, etc ).

La La mesoestructuramesoestructura es también de interés en los es también de interés en los procesos de unión de materiales, por ejemplo las procesos de unión de materiales, por ejemplo las dimensiones de un junta adhesiva, o la zona afectada dimensiones de un junta adhesiva, o la zona afectada por el calor en una soldadura.por el calor en una soldadura.

La La microestructuramicroestructura cubre la escala de los cubre la escala de los fenómenos estructurales mas comunes fenómenos estructurales mas comunes concernientes a los materiales científicos concernientes a los materiales científicos e ingenieriles: fases, granos y tamaño de e ingenieriles: fases, granos y tamaño de partículas, densidad de dislocaciones, partículas, densidad de dislocaciones, separación de partículas, microgrietas y separación de partículas, microgrietas y microporosidades.microporosidades.

El término El término nanoestructura nanoestructura esta restringido a esta restringido a las características sub-microscópicas, es las características sub-microscópicas, es decir dimensiones laterales de tamaño de decir dimensiones laterales de tamaño de granos e interfases, la etapa inicial de granos e interfases, la etapa inicial de precipitación, regiones de ordenamiento local precipitación, regiones de ordenamiento local en sólidos amorfos (vidrios), y muy pequeñas en sólidos amorfos (vidrios), y muy pequeñas partículas cuya estructura esta dominada por partículas cuya estructura esta dominada por átomos en la superficie de la partícula mas átomos en la superficie de la partícula mas que aquellas dentro de la partícula.que aquellas dentro de la partícula.

Escala Macroestructura Mesoestructura Microestructura Nanoestructura

Amplificación Típica

X1 X 102 X104 X106

Técnicas comunes

Inspección visualRadiografía de Rayos XInspección por ultrasonido

Microscopio ópticoMicroscopio de Barrido

Microscopio de barrido y transmisiónMicroscopio de fuerzas atómicas

Difracción de rayos XMicroscopio de tunelamientoMicrospio electrónico de transmisión de alta resolución

Características principales

Producción de defectosPorosidad, grietas e inclusiones

Tamaño de grano y partículasMorfología de fases y anisotropía

DislocacionesLímites de grano y de fases.Fenómeno de precipitación

Estructura cristalina, interfases, defectos puntuales, closters