APLICACIONES DE MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (SEM) Y ANALISIS DE FRACTURA DE UNA ALEACIÓN DE Cu – 10 Al Mario Grágeda Zegarra1 y Susana Montesinos 1. 1. Estudiantes del Programa de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, mención Ciencia de los Materiales, Facultad de ciencias físicas y matemáticas, Universidad de Chile. 1. INTRODUCCION

El microscopio electrónico de barrido (SEM) es un instrumento que permite la observación y caracterización superficial de materiales inorgánicos y orgánicos, entregando información morfológica del material analizado. A partir de él se producen distintos tipos de señal que se generan desde la muestra y se utilizan para examinar muchas de sus características. Con él se pueden realizar estudios de los aspectos morfológicos de zonas microscópicas de los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de la comunidad científica y las empresas privadas, además del procesamiento y análisis de las imágenes obtenidas. Las principales utilidades del SEM son la alta resolución (~100 Å), la gran profundidad de campo que le da apariencia tridimensional a las imágenes y la sencilla preparación de las muestras.

El microscopio electrónico de barrido puede estar equipado con diversos detectores, entre los que se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para obtener imágenes de alta resolución SEI (Secundary Electron Image), un detector de electrones retrodispersados que permite la obtención de imágenes de composición y topografía de la superficie BEI (Backscattered Electron Image), y un detector de energía dispersiva EDS ( Energy Dispersive Spectrometer) permite colectar los Rayos X generados por la muestra y realizar diversos análisis e imágenes de distribución de elementos en superficies pulidas. 2.- PRINCIPALES APLICACIONES

Las aplicaciones del microscopio electrónico de barrido son muy variadas, y van desde la industria petroquímica o la metalurgia hasta la medicina forense. Sus análisis proporcionan datos como textura, tamaño y forma de la muestra.

Entre las áreas de aplicación de esta técnica, se pueden mencionar: 1. Geología: Investigaciones geomineras, cristalográficas, mineralógicas y petrológicas. Estudio morfológico y estructural de las muestras. 2. Estudio de materiales: Caracterización microestructural de materiales. Identificación, análisis de fases cristalinas y transiciones de fases en diversos materiales tales como metales, cerámicos, materiales compuestos, semiconductores, polímeros y minerales. Composición de superficies y tamaño de grano. Valoración del deterioro de materiales, determinación del grado de cristalinidad y presencia de defectos. Identificación del tipo de degradación: fatiga, corrosión, fragilización, etc.

3. Metalurgia: Control de calidad y estudio de fatiga de materiales, características texturales. Análisis de fractura (fractomecánica) en materiales (Ver Figura 1), un ejemplo concreto de este tipo de aplicación se expone en la parte de trabajo práctico.

Figura 1 – Imagen de la rotura de una varilla de acero obtenida mediante un Microscopio Electrónico de Barrido.

4. Odontología: En este campo son muchas las aplicaciones de las caracterizaciones morfológicas que se pueden realizar con el microscopio electrónico de barrido. Una aplicación específica de este microscopio se obtiene al estudiar la direccionalidad de las varillas del esmalte dental [1]. El esmalte dental posee varias fases de formación, en las cuales se van depositando elementos minerales que llegan al lugar por los vasos sanguíneos circundantes, produciéndose la mineralización total en la última fase de su formación. En esta etapa se forman cristales, que al depositarse toman una disposición en todo el tejido formado, creando las varillas del esmalte, estructura principalmente inorgánica (98%), adquiriendo una disposición muy particular de acuerdo al sector que se estudie de la pieza dentaría. Estas varillas son observadas con un microscopio electrónico de barrido, notando que estas se disponen en diferentes direcciones con un sólo sentido desde él limite amelodentinario a la superficie, entrecruzándose en las cúspides y en ciertos sectores de las caras libres y proximales, lo que se denomina multidireccionalidad de las varillas. Para ello se extraen piezas dentarías humanas (con indicación quirúrgica), las que son metalizadas con oro-paladio y luego son estudiadas en el SEM. De este modo se puede observar la disposición de las varillas, analizar los cambios de direcciones en el espesor del esmalte y comparar la disposición en los distintos sectores del esmalte (oclusal, 1/3 medio y 1/3 cervical). Además se pueden analizar a través del SEM las alteraciones que producen los ácidos producidos por la entrada de microorganismos y restos alimenticios en las superficies vestibulares de los dientes anteriores, ya que sobre ellos se produce la retención de los materiales odontológicos en fracturas, fisuras, ferulizaciones, etc [2]. La entrada de los microorganismos se produce, ya que para la retención del material de restauración, desde los comienzos de la odontología, se han realizado tallados en forma de retención mecánica en las piezas dentarias, formándose estos en la interfase restauración-diente.

5. Paleontología y Arqueología: Caracterización de aspectos morfológicos. 6. Control de Calidad: En este campo, el microscopio electrónico de barrido es de gran utilidad para el seguimiento morfológico de procesos y su aplicación en el control de calidad de productos de uso y consumo. Algunas industrias que lo utilizan son: 6.1. Fibras[3]:

En fibras textiles el Microscopio Electrónico de Barrido se utiliza para examinar: • Detalles superficiales de fibras • Modificaciones en las formas de las fibras o en detalles superficiales • Dañado de fibras • Construcción de hilos y tejidos • Fractografía de fibras rotas por diferentes causas • Urdimbre • Dimensiones de características de fibras desde diferentes ángulos Un ejemplo de aplicación de la SEM en fibras textiles es el caso de la diferenciación

entre la fibra de lana y las fibras denominadas especiales, tales como el mohair y el Kashmir. El precio de las fibras especiales es mayor que el de la lana, por lo que el fraude se puede presentar por etiquetar prendas de lana como compuestas por fibras especiales. La identificación, es decir, comprobar si una fibra es lana o fibra especial se realiza en el SEM midiendo la altura de los bordes distales de las células cuticulares. Se admite que si estos bordes tienen una altura superior a 0,7 µm la fibra es lana y si es inferior a 0,5 µm se trata de una fibra especial. Ver figura 2.

Otra utilidad es la detección de productos nocivos en ciertas fibras. La fibra de vidrio y

la fibra mineral de amianto tienen algunas aplicaciones comunes en la industria. Por ejemplo ambas se utilizan como aislantes térmicos y eléctricos. El interés principal es detectar la la enfermedad denominada asbestosis, lo que hace que esté altamente restringida su presencia de amianto, ya que el polvo de esta fibra es nocivo por inhalación, produciendo aplicación. Mediante el SEM se pueden distinguir estas fibras, ya que poseen una diferencia en diámetro, tal como se muestra en la figura 2.

Fig.2 - Comparación entre una fibra de lana y una fibra especial, señalando con flechas las medidas de los bordes distales de las células cuticulares ( con altura superior a 0,7 μm para la lana e inferior a 0,5 μm para la fibra especial).

6.2. Curtidos[3]

Esta es una técnica de fabricación de cueros, mediante la cual se somete la piel de ciertos animales a una preparación y tratamientos adecuados para transformarla en cuero, a fin de preservarla de la putrefacción natural y de que conserve su flexibilidad y elasticidad al secarse, sin adquirir consistencia córnea. Por lo general, el cuero se somete a un proceso denominado aserrado, mediante el cual se divide en dos hojas, quedando así desdoblado en la parte correspondiente al pelo o exterior (forma de flor), de espesor uniforme, y la parte correspondiente al lado de la carne que conserva las irregularidades de espesor o grosor del cuero antes del aserrado. Por diferentes razones, la parte denominada flor está considerada de mayor calidad y por tanto es más cara. Ver figura 3.

Fig.3 – En la figura de la izquierda se muestra la superficie exterior, que al estar formada por células apretadas entre sí, le dan un aspecto continuo (lo que le confiere una protección impermeable), la de la derecha revela fibras de tejido conjuntivo que aplastadas y alisadas imitan macroscópicamente la autentica superficie de la piel.

7. Peritajes: Estudios de muestras de cualquiera de las áreas antes mencionadas. 8. Medicina Forense: Análisis morfológico de pruebas. 9. Botánica, Biomedicina y Medicina: Estudio morfológico. 10. Estudio químico y estructural de obras de arte, alteración de monumentos, control de calidad, identificación de pigmentos (restauración, autentificación) Como ejemplo práctico de este tipo de aplicación, se puede ver la figura 4, donde se aprecia una muestra pictórica observada con un Microscopio Electrónico de Barrido. A partir de esta interpretación se puede aportar una información especialmente valiosa para proceder a establecer la época del cuadro, escuela pictórica y posibles intervenciones a las que ha sido sometida, tales como aplicación de repintes, o tratamientos de restauración anteriores

Figura 4 - Muestra pictórica observada con un Microscopio Electrónico de Barrido

11. Peritaciones Caligráficas: Estudio de trazos. 12. Electrónica: Control y calidad de partes electrónicas.

3.- TRABAJO PRÁCTICO DE APLICACIÓN DEL SEM 3.1.- Introducción

Se realizaron observaciones en el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) de muestras sometidas a fractura para su estudio, lo que representa una aplicación del SEM en análisis de fractura (fractomecánica) en materiales. El material estudiado corresponde a una aleación de Cu – 10 Al, sometido a un tratamiento térmico previo, consistente en un recocido a 850 ºC por 10 horas. La estructura analizada está formada por dos fases, una matriz α con dispersoides de fase γ2 (de tamaño aproximado 2μm). La formación de dispersoides en la matriz α dúctil, se realiza para lograr un reforzamiento del material. Es por ello que es necesario estudiar el mecanismo de fractura de este material.

Los objetivos de la caracterización de este material por medio del SEM son:

1.- Observar la importancia del SEM en la morfología del estudio de las superficies de fractura, a distintos aumentos. 2.- Analizar el mecanismo de fractura de la aleación estudiada. 3.- Analizar el comportamiento de la interfase matriz dispersoide cuando es sometida a fractura por tracción. 4.- Detectar impurezas en la muestra de la aleación estudiada. 3.2.- Procedimiento experimental Se analizó la superficie de fractura, para analizar el daño presente tanto en la superficie externa de las probetas como en un plano medio paralelo al eje de tracción. Para ello se utilizó una probeta plana de sección 3 x 3 mm2. Esta fue pulida hasta disminuir su espesor en un 50 % en forma longitudinal. La muestra fue preparada sobre una resina, tomando en consideración el tamaño del portamuestra del SEM, para posteriormente ser atacada químicamente con el siguiente reactivo durante 3 segundos:

5 g FeCl3 + 96 ml alcohol metílico + 2 ml HCl Finalmente la muestra fue cubierta con una capa muy delgada de oro, para que sea una superficie homogénea y conductora, y colocada dentro de la columna de vacío del microscopio a través de una puerta hermética.

3.3.- Análisis y Resultados

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Fig. 5 - Zona cercana a la fractura en el plano medio de la probeta plana.

En la figura 5 se observa la superficie de fractura, notando que hubo deformación plástica antes de la fractura. Los micro hoyuelos que se observan serán estudiados posteriormente con mayor aumento.

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Fig. 6 Superficie lateral de probeta plana se aprecia la superficie de fractura en la zona superior

La figura 6 muestra la superficie lateral, paralela al eje de tracción, de una probeta plana en la zona cercana a la fractura. La superficie superior corresponde a la superficie de fractura, bajo ésta se aprecia una zona con grietas secundarias las que conectan partículas fracturadas atravesando la matriz. No se observa decohesión de las partículas, lo que evidencia una buena interfase matriz partícula.

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Fig. 7 Superficie lateral de probeta plana a una distancia de 100 μm desde la fractura.

En la figura 7 se observan partículas que presentan fisuras paralelas al eje de tracción. Este tipo de comportamiento se aprecia en los sectores adyacentes a la superficie de fractura, y da indicios de que el mecanismo de fractura para este material se encuentra dominado por el clivaje de las partículas frágiles de la fase frágil γ2 y la unión de estas fisuras a través de la matriz α. Al aumentar la deformación plástica, las partículas fisuradas se interconectan formando las grietas secundarias que fueron observadas en la figura 5, y finalmente una de ellas se propagará rápidamente provocando la falla o fractura del material.

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Fig. 8 Superficie lateral de probeta plana se aprecia la presencia de una impureza.

En la figura 8 se observa la presencia de una impureza (óxido o cerámico).

El sector oscuro que rodea a la impureza presenta tal contraste, ya que la impureza al ser no conductora no transmite carga, produciendo una zona que no capta señales, pudiendo ser confundida por su tonalidad con una superficie profunda.

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Fig. 9 Superficie lateral de probeta plana se aprecia la presencia de una partícula de fase γ2 sin daño.

En la parte central de la figura 9 se observa una partícula de fase γ2 en un sector alejado de la superficie de fractura. Se aprecia que la partícula conserva su forma sin sufrir deformación ni clivaje en su interior.

3.4.- Conclusiones La utilización de la Microscopia Electrónica de Barrido es de gran importancia en el estudio de las superficies de fractura de un material (fractomecánica), debido principalmente a la profundidad de campo que este posee. Mediante esta técnica se pudo observar la muestra a distintos aumentos, para analizar diferentes aspectos de la morfología de esta. Con este análisis se pudieron encontrar indicios de un posible comportamiento a la fractura de la aleación estudiada, compuesta por una matriz α y dispersoides γ2 en ella. Se vio que en las cercanías a la superficie de fractura, existían grietas secundarias y clivaje en un plano perpendicular al eje de tracción al interior de las partículas dispersas, mientras que en sectores más alejados las partículas dispersas se encontraban sin daño. Se observó una buena interfase matriz dispersoide, sin existir decohesión entre ellas. Al mismo tiempo, por medio del SEM, se pudo detectar impurezas en la estructura del material, caracterizadas por el contraste en el tono, debido a que las impurezas no permiten la conductividad en este sector. 4.- REFERENCIAS [1] Belloni F, Lazo G, Durso G, Lazo S Ivanov M. Abal A, Tanevich A, Pazos F, Perez P, “Multidireccionalidad de las varillas del esmalte. Estudio al Microscopio Electrónico de Barrido (S.E.M). Implicancias Clínicas”, Facultad De Odontología - UNLP - Argentina. [2] Lazo G, Abal A, Lazo S, Durso G, Belloni F, Ivanov M. ,Tanevich A, Pazos F, Perez, Cagliada N, “Alteraciones de las varillas del esmalte ante la aplicación de ácidos fosfórico, axalico y maleico al SEM”, Facultad de Odontología - UNLP – Argentina. [3] Información obtenida de la Unidad de Microscopía Electrónica, Centro de Investigación y Control de la Calidad, Instituto Nacional del consumo, Ministerio de Sanidad y Consumo, Madrid, España.