Lrit i nAmeriro n .Iourn al o] Melnllllrfl!f and Materiale. Vnl. 6, Nos, 1 & 2 (1.986)

ARTICULO TECNICO / TECHNICAL PAPER

Aplicación del Microscopio de Barrido y la Microsonda a Estudios Metalúrgicos

Craciela Pacheco Jung y Federico Manrique Guer:ero

División de Estudios de Postgrndo, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México,Cilldnrl l Iniversituria. 04;)10, México. D, F .. México '

1,:1rni(,I'I'analizac1ol' ti" sondn eloct rónica permite ex nminm: directumcnte las superficies. La característica principal ele este instru-nx-nto ('" "" ('apa('ic!ac! dl' cf'cct u.u: anúlisis elementales sobre volu menes de muest rn del orden riel micrón; el poder de resolución es de1()(I-2()() /1.con aumentos dp 1()-~()()()()X. ¡.a aplicación en rnctnlurgin riel micro.málisis pOI' sonda electrónica permite la microcaracteri-zarión d" soluciones sólidas. fenómeno, de seg-reg-ación, difusión. corrosión y otros.

Application of SEM and Microprobe in the Study of Merals

Thc surfnce of a solid ín-ndinted hy a fin" f()(' 1Ised electron henrn can he analyzed hy microprobe through different emissions: seconriaryl'1(>ctl'on ernission, hnckcatterred eler-trnn ernission. Xvray photon emission. Its resolving power is 100-200 A with augrnentation 10-¡<¡¡()On X, lt e.m he applied in probloms like solir] solutions. ~eg-l'cgHtion phenornenu and corrosion. etc.

INTRODUCCION

F,I microanúlisis por sonda electrónica estudia elconjunto de emisiones que resultan de bombardear sóli-dos con un haz de electrones (con energía de algunasdecenas de Kev.), Para darse cuenta a escalas pequeñasde la" propiedades físicas y químicas observadas aescala macrospcópica se precisa de la microcaracteriz.a-ción de lo" sólidos y esto exige que se empleen microsco-pio de barrido y microsonda al mismo tiempo,

La caracterización microscópica debe cubrir losaspectos siguientes [11:

a) Estructuro cristalina; malla elemental. redcristalina, posición de substituyentes. defectos.vacancias, variaciones él la estequiometria,

b) Mieroeetructura: tamaño y forma de los granos.relaciones espaciales entre los granos (texturamorfológica), relaciones de orientación (tex-tura cristalográfica).

e) Composición química local de elementos pre-sentes, ligeros y pesados. análisis elemental enlas fases presentess o microconstituyentes.

El conjunto de estas informaciones son transmiti-das por medio de los fenómenos físicos que resultan delbombardeo de la muestra por un haz electrónico. Se pue-den considerar dos casos:

1. Una caracterizo cion eu perjicial. Es decir' limi-tad:~ a una o varias capas atómicas (del ordendel A) sin extensión lateral pero con una resolu-ción muy elevada en profundidad,

2, Una caractorizaciim locolizada. Orientándose alanálisis de los microconstituyentes y su compo-sición química local.

PRINCIPIO DEL METODOINTERACCION ELECTRON-MATERIA

Es necesario recordar brevemente algunos princi-pios concernientes a los electrones y a la materia [2). Eltraspaso de la energía incidente a los átomos de la mues-tra da origen a las siguientes emisiones: electronessecundarios, electrones retrodispersados, fotones (cato-doluminiscencia) y rayos-X. Cuando los electrones atra-viesan un sólido se producen dos tipos de interacciones,por un lado una "dispersión elástica" sin pérdida deenergía y por otra parte una "dispersión inelástica" conpérdida de energía (esta última puede ser utilizada paraion izar los átomos de la muestra), Las dos dispersiones(elástica e inelústica) se producen tanto entre los electro-nes incidentes y el núcleo atómico de la muestra, así comoentre los electrones incidentes y los electrones de los áto-mos de la muestra,

Dispersión elástica. La dispersión elástica (Fig.1a.) es esencialmente una interacción entre los electro-nes incidentes y el núcleo de los átomos de la muestra,Esto se traduce por una desviación de la trayectoria delos electrones y está caracterizada por su sección eficazla cual se define como la probabilidad que tiene el elec-trón de ser dispersado según un ángulo a, considerandoel ángulo, ésta se puede expresar con la siguientefórmula 121,

dr (a) _ 1 Zé2-----

01' 4 E1

Z número atómicoe la carga del electrónF, energía del electrón

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Dispersión inelástica. Es el resultado de las inte-racciones entre los electrones incidentes y los electronesdel átomo de la muestra acompañados de una pérdida de

, energía, la cual conduce a una excitación o una ioniza-ción (Fig. lb). La interacción inelástica con el núcleo dalugar a un fenómeno de "frenaje radiativo" que contri-buye a una pérdida de energía producida por la ioniza-ción de los átomos o la excitación de algunos niveles deenergía cinética suficiente que provoca que la proyecciónde otros electrones repetirán el proceso hasta que suenergía sea suficiente, esto produce una cascada de elec-trones secundarios. La figura 1 ilustra esquemática-mente los dos tipos de interacciones entre los electronesprimarios y los átomos de la muestra. Los esquemas a y bde esta figura representan las interacciones elásticas ocasi elásticas que dan origen a la emisión de electronesretrodispersados. Estos son los electrones primarios queno han sufrido choques inelásticos con pérdida de ener-gía y que han sido dispersados bajo un ángulo que lespermita abandonar la superficie del sólido. Los esque-mas e y d de la figura ilustran la dispersión inelástica conlos electrones atómicos. La ionización resultante de cam-bio de energía va acompañada de la liberación de electro-nes secundarios los cuales, en una pequeña parte puedenser emitidos a la superficie de la muestra.

--~---7~--------a

---lt-------z,...-c

~

¿rd7~

0 e

G J~Fig. 1. Representación esquemática de las interacciones electrón-

materia.a. Elásticab. Casi-elástica .c. Formación de electrones secundariosd. Emisión de electrones secundarios.

From J, Ruste: J. Microspectroe. Electron (1979).

.La espectrometría de emisión de rayos-X caracte-; rística de una pequeña zona de la muestra (aproximada-

mente 1ó 2 micras) expuesto a un haz de electrones daorigen al análisis puntual. El método está basado según10reportado en la literatura [31 en la intensidad de la K,característica del elemento por analizar y la cual puedeexpresarse de la forma siguiente:

en donde:

Wk sección eficaz para la línea K"A peso atómico del elementoEo energía del haz incidenteEk energía de la línea K" del elemento

El análisis elemental por espectrometría de rayos- Xha sido el objeto de numerosas publicaciones.

Algunos autores como Kramen relaciona el númeroatómico del elemento con distribución de fotones con ti-

, nuos postulando la siguiente ecuación [4].

lb ex: Z (E, - E)/Z

en donde Z es el número atómico, E, la energía del haz deelectrones y E la energía por calcular.

APLICACIONES AL ANALISIS

Con la microsonda se pueden efectuar tres tiposde análisis:

- análisis puntual- análisis lineal-...:..análisis de una superficie determinada

Análisis puntual. Este análisis, se efectúa locali-zando el haz electrónico en una parte de la muestra delorden de 2 fLm de diámetro, está basado en la excitaciónde la ~ del elemento por analizar midiendo la intensidadrecibida y comparándola con la intensidad de un patrónen las mismas condiciones.

Análisis lineal. El análisis puntual puede trans-'formarse en lineal, para lo cual 'es necesario mover lamuestra lentamente en el eje de las X, la intensidad delhaz analizado, nos da en cada sección de la muestra lacomposición y concentración del elemento a lo largo de latrayectoria seguida.

Análisis deuno.superficie determinada. El despla-zamiento en el eje de las X puede completarse con unmovimiento rápido en el eje de las Y, la combinación deestos dos movimientos permite así la investigación de lasuperficie de la muestra. En la figura 2 se representanesquemáticamente estas tres formas de análisis.

PARTE EXPERIMENTAL

Las muestras se observaron en probetas pulidas yrecibiertas con una capa delgada de carbón. El equipo1Jtilizado es marca JEOL 35CF con una resolución de 60Ay ampliación máxima de 10 X a 180.000 X. Se utilizó elespectrómetro de longitud de onda con los cristales LiF yTAP Y las K" de los elementos; Cu, Sn, Al, Si, S y Fe.

Aquí se presenta el estudio de una muestra debronce en la cual se puede ver las diferentes fases (Fig. 3).Por medio de electrones secundarios se observan clara-mente las soluciones sólidas que forman este bronce. Lafase "A" o matriz se encuentra repartida a lo largo de la

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MUESTRA FIJA

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DESPLAZAMIENTO Ll'NEAL REGISTRADOR

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Fig. 2. Ref. 5 (Poyst, Bul!. C.E.M.-1971).

Fig. 3. Imagen en electrones secundarios. Fases A. B.ey D que com-ponen el bronce. microscopio electrónico de barrido. electro-nes secundarios 800 X.

probeta, la fase "B" formada de inclusiones obscuras eirregularidades, la fase "C" alIado izquierdo de la foto-grafía se puede ver en forma de arborescencias (esta faseno aparece muy frecuente, sino más bien se presenta enforma aislada) y por último la fase "D" 'de forma elíp-tica y abultada.

La composición de estas fases fue determinada utili-zando el espectrómetro de longitud de onda, la K" del ele-mento por analizar y los cristales de LiF y TAP, per-mitiendo detectar la distribución de los siguientes ele-mentos; en las figuras 4 y 5. se representan la distribu-ción de Cu y Sn en la fase "A". Las figuras 6 y 7 represen-tan la distribución de Al y Si que componen la fase "B".La fase "C" está compuesta esencialmente de S, la figura8 representa la distribución de este elemento. En la fase"D" se encuentra el "Fe" como componente principal. lafigura 9 lo demuestra.

Fig. 4. Distribución de Cu en la fase "A".

Fig. 5. Distribución de Sn en la fase "A".

Fig. 6. Distribución de Silicio.

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Fig. 7. Distribución de A!uminio.

Fig. 8. Repartición de S en la fase C.

Fig. 9. Repartición de Fe en la fase D.

Como un ejemplo de fases aisladas se presenta unamuestra de acero nitrurado. El tratamiento se lleva acabo difundiendo nitrógeno en un acero, el cual adquiereuna gran dureza, en la figura 10 la flecha indica el lugaren donde se observa la difusión.

Como un fenómeno de corrosión se observa el efectodel ácido sulfúrico en una muestra de aluminio, la figura11 presenta la superficie de la muestra, obtenida en elec-trones secundarios, la corrosión tan avanzada de larmsma,

Fíg, 10. Nitruración de una muestra de acero.Microscopio Electrónico barrido electronessecundarios 1000 X.

Fig. 11. Fenómeno de corrosión por ac. sulfúricoaluminio. Microscopio electrónico de barrido.electrones secundarios 500 X.

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CONCLUSION

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Dentro de los campos de aplicación de la microsondala metalurgia ha sido uno de los más favorecidos ya quees una técnica no destructiva y permite un análisis locali-zad;. Los ejemplos-mencionados en este trabajo demues-tran la conveniencia de utilizar al mismo tiempo las

. técnicas de microscopía de barrido y micra análisis pun-tual en sólidos,

Estos experimentos fueron efectuados en el Depar-tamento de Metalurgia, edificio "D" de la Facultad deQuímica (UNAM), se agradece la colaboración del Dr.Javier Avila y el Ing. Bernardo Campillo al facilitar lasmuestras del estudio de corrosión, y la del acero en elestudio de difusión.

BIBLIOGRAFIA

1. J. Philibert: Caracterisation des Materiaux et méthodes micra s-copiques d' examen et d' analyse, L' Ecole d' Eté de St Martin d'Heres. Pub. qms 2-8 (1970).

2. J. Ruste: Principes Generaux de la Microanalyse QuantitativeAppliquée aux Elements Legers. J. Micros Spectrosc Electron 4(1979) 1?3-

3. G. Remond: Tendances Actuelles pour l'explotation d' un labo-ratoire de Microanalyse et Microscope a balayage, BullBRGM (1978). .

4. D. Porter and R. Woldseth: X ray Energy. Spectrometry. AnalChemistry, 45 (1973) 604A.

5. P. Poyet: La Microsonde Electronique en Metallurgie, BullCME, 11 (1971) 563.

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