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Diagnóstico y análisis de fallas Capítulo I – Técnicas de análisis de fallas 1 Capítulo I Técnicas de análisis de fallas 1. Procedimiento para el análisis de fallas, Cada vez que es necesario llevar a cabo un análisis de fallas, deben seguirse unas pautas muy parecidas a lo que sería una investigación policial. Se debe buscar la mayor cantidad de antecedentes posibles, averiguando sobre aspectos de funcionamiento de las piezas falladas además de una serie de preguntas adicionales Sin embargo, lo importante es no tocar la pieza. Esto es así porque es estrictamente necesario preservar en la medida de lo posible las evidencias que conduzcan a las causas de la falla. 2. Preguntas a hacerse sobre una fractura En la figura 1 se muestra un esquema de los antecedentes que es preciso tomar en cuenta a la hora de realizar un análisis de fallas. En primer lugar, debe tenerse una idea de la composición química de los materiales involucrados en la falla, muy especialmente lo concerniente directamente a la pieza fallada. Junto con la compasión química es preciso conocer aspectos tales como el tratamiento térmico y mecánico (temple, revenido, envejecido etc.) que presenta la pieza en cuestión. Otro aspecto importante radica en los aspectos medio ambientales, es decir, las condiciones en las cuales ocurrió la falla, que estén vinculadas a agentes químicamente agresivos tales como gases, humedad, la presencia de temperaturas medioambientales anormales etc. Desde luego el estado de
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Diagnóstico y análisis de fallas
Capítulo I – Técnicas de análisis de fallas 1
Capítulo I
Técnicas de análisis de fallas
1. Procedimiento para el análisis de fallas,
Cada vez que es necesario llevar a cabo un análisis de fallas, deben seguirse
unas pautas muy parecidas a lo que sería una investigación policial. Se debe
buscar la mayor cantidad de antecedentes posibles, averiguando sobre aspectos
de funcionamiento de las piezas falladas además de una serie de preguntas
adicionales Sin embargo, lo importante es no tocar la pieza. Esto es así porque
es estrictamente necesario preservar en la medida de lo posible las evidencias
que conduzcan a las causas de la falla.
2. Preguntas a hacerse sobre una fractura
En la figura 1 se muestra un esquema de los antecedentes que es preciso tomar
en cuenta a la hora de realizar un análisis de fallas. En primer lugar, debe tenerse
una idea de la composición química de los materiales involucrados en la falla, muy
especialmente lo concerniente directamente a la pieza fallada. Junto con la
compasión química es preciso conocer aspectos tales como el tratamiento térmico
y mecánico (temple, revenido, envejecido etc.) que presenta la pieza en cuestión.
Otro aspecto importante radica en los aspectos medio ambientales, es decir, las
condiciones en las cuales ocurrió la falla, que estén vinculadas a agentes
químicamente agresivos tales como gases, humedad, la presencia de
temperaturas medioambientales anormales etc. Desde luego el estado de
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esfuerzos asociado a la pieza que falló, es desde el punto de vista mecánico uno
de los antecedentes más relevantes, puesto que el estado de carga incide de
manera importante en la fractura de la pieza. El poseer información de situaciones
de falla similares, es decir, el que existe un precedente de falla que involucre
condiciones similares o parecidas, también es importante y puede en determinado
momento ser vital en el momento tanto del análisis como de las conclusiones
finales. Las condiciones de operación siempre es importante de tener claras
debido a que condiciones de operación erróneas pueden significar precisamente
una falla relacionada con un exceso de esfuerzos o a una condición anómala de
aplicación de los mismos. Finalmente los aspectos humanos no son menos
importantes, sobre todo debido a la entrega parcial de la información o bien al
temor por eventuales sanciones que pudieran tener lugar por motivo de errores
humanos.
Figura 1. Esquema de un esquema de análisis de fallas.
Problema de Análisis
de Fallas
Material comp. qca.,
trat. térmico…
Medio
ambiente
Condiciones de operación
¿incidentes?
Factores humanos: ¿verdades
parciales?
Estado de
esfuerzos
Precedentes, ¿otros casos
similares?
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3. Pasos a seguir en un análisis de fallas.
De acuerdo a lo planteado en el punto anterior, los siguientes son los pasos
recomendados en un análisis de fallas, con el objeto de tomar en consideración
todos los aspectos que sean capaz de contribuir al análisis del origen de la falla.
1.- Datos del medioambiente.
2.- Selección apropiada de las muestras.
3.- Examen visual preliminar de la pieza fallada.
4.- Ensayos no destructivos.
5.- Análisis químico.
6.- Caracterización mecánica de las piezas falladas.
7.- Análisis microscópico por microscopía óptica y electrónica.
8.- Determinación de los micromecanismos de fractura.
9.- Ensayos bajo condiciones de servicio (lo más cercano a la realidad posible).
10.- Análisis de la evidencia como un conjunto y formulación de las conclusiones.
4. El microscopio electrónico de barrido.
La técnica conocida con el nombre de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
consiste en hacer incidir un haz de electrones suficientemente energizados, sobre
la muestra a observar. Estos electrones se generan en un filamento de LaB6 o bien
de wolframio y son acelerados bajo una gran diferencia de potencial, usualmente
de 20 a 25 kV. En la figura 2 puede verse un aspecto de un microscopio
electrónico de barrido, pudiendo verse a la derecha la columna de aceleración del
haz de electrones.
Tal como se aprecia en la figura 3, es posible distinguir el filamento emisor de
electrones en la parte superior, los que son acelerados hacia la zona inferior de la
columna, en donde se encuentra localizada la muestra.
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Figura 2.- Vista de un microscopio electrónico de barrido.
Figura 3.- Esquema de un microscopio electrónico de barrido.
Potencial de aceleración
y corriente de filamento
Lente 1
Lente 2
Lente 3
Control de
aumento
Bombas de
vacío
Fotomultiplicador
Amplificador de video
Video
Foto
Monitores
Muestra
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La columna se encuentra a alto vacío, con el objeto de impedir que el haz de
electrones pierda energía por choques con las moléculas de aire. Se instalan
lentes electromagnéticas, con el fin de controlar el haz de electrones, los que son
detectados por el fotomultiplicador, una vez que han hecho impacto sobre la
muestra. La señal, se procesa electrónicamemnte y se envía a una pantalla de
televisión, para ser observada.
Detalle del generador de electrones
En la figura 4 se muestra el detalle del generador de electrones. Está compuesto
por un ciclindro de Wehnelt, dentro del cual se encuentra el filamento emisor de
electrones.
El filamento se encuentra conectado a una fuente de alto voltaje, teniendo la
posibilidad de controlar la polarización a través de un resistencia variable. A la
salida de este dispositivo, el haz de electrones posee un diámetro d0 siendo 0 el
ángulo de divergencia.
La interacción entre el haz de electrones y la muestra, es de naturaleza compleja.
En la figura 5 es posible observar los distintos fenómenos de interacción
producidos.
Figura 4.- Detalle del generador de electrones.
El haz incidente, si tiene la suficiente energía, podría atravesar la muestra, lo que
da origen a la miscroscopía electrónica de transmisión, que no es objetivo de
análisis. Si los electrones del haz incidente experimentan choques elásticos ya sea
con los núcleos de los átomos de la muestra o bien con los electrones de la
misma, son reflejados o retrodispersados con gran energía, lo que da origen a una
señal conocida como “backscattering electrons”, electrones primarios o electrones
retrodispersados. Con esta señal se construyen típicamente mapas de
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composición química de la superficie de la muestra, debido a que en esta
modalidad, las diversas composiciones químicas aparecen con diversos tonos de
grises en la pantalla del microscopio.
Cuando los choques que se producen entre los electrones del haz incidente y los
electrones de la muestra son inelásticos, se genera una señal consistente en
electrones de baja energía, también conocidos como electrones secundarios. Con
este tipo de electrones es posible construir imágenes que informen de la topogafía
de la superficie de la muestra, lo que resulta particularmente útil en el campo de la
fractografía.
Al impactar los electrones sobre la superficie de la muestra, se generan también
rayos X, como se explicará más adelante. Estos rayos emitidos por la muestra
poseen una longitud de onda y por tanto una energía, característica de los
elementos que constituyen la muestra, por lo que son utilizados para realizar
análisis de composición química. En el campo del análisis de fallas, esta
modalidad permite realizar estudios cuantitativos y semi cuantitativos de
sustancias no identificadas presentes en los materiales que se estudian.
Figura 5.- Representación esquemática de los distintos tipo de enteracción producida entre
el haz de electrones y la muestra.
Penetración de los electrones
El rango de penetración de los electrones, corresponde a la distancia medida
desde la superficie de la muestra, que el electrón viaja a lo largo de una
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trayectoria. Esta penetración depende fuertemente del voltaje de aceleración
aplicado y para el caso de electrones retrodispersados, que son lo más
penetrantes, dicho rango se encuentra entre 0.12 y 2.4 micras, ver figura 6.
Figura 6.- Esquema mostrando la penetración del haz de electrones.
Tal como se aprecia en la figura anterior, la zona de la muestra que interactúa con
el haz de electrones corresponde a una región tridimensional con forma de pera.
Los electrones secundarios poseen un menor rango de penetración, situándose en
unos 10 Å para el caso de metales y en unos 100 Å para el caso de aislantes. Tal
como se indica en la figura 7, también el número atómico juega un papel
importante en la penetración del haz de electrones.Efectivamente, al aumentar el
número atómico de la muestra, disminuye la penetración del haz de electrones.
Figura 7.- Penetración del haz de electrones en función del voltaje incidente y del número atómico
de la muestra.
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Rayos X
Hay dos interacciones entre el haz de electrones incidentes y la muestra, que
conducen a la generación de rayos X, dando origen a los dos tipos de espectros
conocidos: continuo y característico.
Cuando un haz de electrones es desacelerado, por impacto con un núcleo, la
pérdida de energía se manifiesta por la emisión de un fotón de rayo X, cuya
energía incluso puede llegar a ser igual a la energía del electrón incidente. En
realidad, la energía del fotón producido puede variar de forma continua hasta
eventualmente llegar a ser igual a la energía del fotón incidente, tal como se
muestra en la figura 8.
Figura 8.- Espectro de rayos X del molibdeno como función del voltaje aplicado.
La máxima absorción de energía se produce cuando toda la energía del electrón
incidente es ocupada en generar un fotón de rayos X. Dado que la energía es
inversamente proporcional a la longitud de onda, esta máxima energía absorbida
corresponderá a un fotón con mínima longitud de onda, denominada SWL (short
wave limit). Este límite varía con el voltaje de aceleración de los electrones
incidentes y decrece a medida que el voltaje aumenta.
El espectro correspondiente a 25 kV, presenta dos máximos característicos,
conocidos como espectro característico. Este espectro tiene su origen en la
interacción de los electrones incidentes con las capas de electrones más internas
de los átomos de la muestra. Si el electrón incidente tiene energía suficiente,
puede arrancar electrones internos de las capas K, L o M y dejar el átomo en un
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estado excitado o ionizado. El átomo luego, es capaz de retornar a su estado
básico, por la transición de un electrón externo hasta la vacancia de la capa
interna, tal como se muestra en la figura 9. En este proceso el átomo pierde
energía, emitiendo un fotón de rayo X, cuya longitud de onda es característica
debido a que dicha transición está relacionada con una cantidad precisa de
energía.
Figura 9.- Esquema de la generación del espectro característico.
En la figura 10, se muestra un esquema de las transiciones electrónicas asociadas
a un átomo. Si un electrón de la capa K es removido, entonces un elecrtón de la
capa L puede pasar a ocupar el lugar de éste, dando origen a una radiación
identificada como K. Si es un electrón de la capa M el que pasa a ocupar el lugar
del electrón removido en la capa K, se genera una radiación denominada K.
Ejected orbital electron
Scattered primary electron
Electron relaxation and
photon generation
Incident electron
X-Ray photon
emitted
Photon
internally
converted and
Auger electron
emitted
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Capítulo I – Técnicas de análisis de fallas 10
M
N
Normal
M a
K a
K
L
M
N
K b
La
Electrón removido K
Electrón removido L
Electrón removido M
Electrón removido N
Figura 10.- Esquema de las transiciones electrónicas producidas en un átomo.
Resolución o poder resolutivo de un microscopio
La resolución es la mínima distancia a la cual dos puntos pueden distinguirse
como un par de puntos separados. Por lo tanto, es conveniente que este valor sea
pequeño. Lña resolución depende de la longitud de onda empleada () y de la
apertyura de la última lente (). La resolución vierne dada por:
61.0R (1)
Para un potencial de aceleración de :
80 kV =0.04338 Å
100 kV =0.03880 Å
Es interesante tomar en cuenta que en el microscopio óptico, la longitud de onda
usada es del orden de 4000Å, lo que da una resolución menor.
Profundidad de campo
La profundidad de campo corresponde a la distancia, medida en forma
perpendicular al haz incidente, que permanece enfocada simultáneamente. Una
de las ventajas del microscopio electrónico de barrido es su gran profundidad de
campo.
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Figura 11.- Esquema mostrando la profundidad de campo.
En la figura 11, la profundidad de campo corresponde a la distancia Q’Q’’. Si es
el ángulo de convergencia de la lente, M es el aumento empleado, dp es la
resolución del microscopio y es la resolución del ojo humano, se puede
demostrar que:
pd
MQQ
''' (2)
Así por ejemplo, sabiendo que la resolución del ojo humano es de 0.1 mm (=0.1
mm), trabajando a 10.000 aumentos, si la resolución del microscopio es de 50Å
(=p), y usando una lente con un ángulo de 0.5x10-2 rad se tiene que Q’Q’’=1 m,
lo cual es suficiente para los aumentos usados.
Defectos de las lentes electromagnéticas
Los defectos de las lentes electromagnéticas, son análogas a las encontradas en
lentes ópticas y son las siguientes:
1. Aberración esférica: se debe a las distintas fuerzas de enfoque entre el
centro y la periferia de la lente.
s=Cs3 (3)
en que es el ángulo de convergencia de la lente y Cs es una constante.
2. Aberración cromática: se debe a que no todos los electrones tienen la
misma velocidad.
C=CC(E/Eo) (4)
en que es el ángulo de convergencia de la lente, E es la variación de voltaje
con que se aceleran los electrones, E0 es el potencial de aceleración y Cc es una
constante.
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3. Efectos de difracción: al atravesar una pequeña rendija, se produce
difracción, según:
D=1.22/ (5)
en que es la longitud de onda del haz de electrones, D es el ancho de la banda
de difracción y el ángulo de convergencia de la lente.
4. Astigmatismo: se debe al enfoque diferente en distintos planos y se corrige
con lentes denominadas “Stigmators”.
(1), y (2) obligan a disminuir pero por (3) hay que aumentarla, por lo tanto,
existe un óptimo: 0.0039 radianes.
Referencias
1. Amelinckx et al, Modern Diffraction an Imaging Techniques in Material Science
(North-Holland) 1970.
2. Datley, The Scanning Electron Microscope (C.U.P.) 1972.
3. Holt et al, Quantitive Scanning Microscopy, Academic Press) 1974.
4. J. Goldstein y H. Yakowitz, Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum
Press, NY and London, 1979.
5. Thornton, Scanning Electron Microscopy (Chapman and Hall) 1968.
6. Wells, Scanning Electron Microscopy (McGraw-Hill) 1974.
