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Trabajo de Formación III: Capacitación en el dominio de técnicas metalográficas y ensayo de microdureza para el estudio de películas finas
 

Trabajo de Formación III: Capacitación en el dominio de técnicas metalográficas y ensayo de microdureza para el estudio de películas finas

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Training in metalographic techniques and microhardness tests skills to thin films characterization. Work formation at Universidad Nacional de Rosario (Argentina).

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    Trabajo de Formación III: Capacitación en el dominio de técnicas metalográficas y ensayo de microdureza para el estudio de películas finas Trabajo de Formación III: Capacitación en el dominio de técnicas metalográficas y ensayo de microdureza para el estudio de películas finas Document Transcript

    • Capacitación en el dominio de técnicas metalográcasy ensayo de microdureza para el estudio de películas nas Javier García Molleja Trabajo de Formación IIIÍndiceI Preparación de muestras 61. Proceso previo 62. Tratamiento 7II Microscopía Óptica 103. Principios y tipos de microscopios 104. Estudio óptico de las muestras 12 4.1. Espesor de la capa cementada del grupo C50- . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.2. Espesor de la capa cementada del grupo C80- . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.3. Análisis de la supercie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16III Pruebas de dureza 185. La dureza 18 5.1. Conversión o equivalentes en dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196. Tipos de pruebas de dureza 19 6.1. Prueba de dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6.2. Prueba de dureza supercial de Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1
    • 6.3. Prueba de dureza Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 6.4. Prueba de dureza Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.5. Prueba de microdureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.5.1. Comparación entre Knoop y Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 6.5.2. Indentación Berkovich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.6. Escala de dureza Mohs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 6.7. La prueba de dureza con escleroscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.8. El durómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317. Estudio experimental de la dureza 31 7.1. Dureza del material base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 7.2. Dureza de las probetas cementadas C50- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.3. Dureza de las probetas cementadas C80- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34IV Propiedades mecánicas 378. Nanoindentación 379. Modelo para determinar la dureza y el módulo elástico 3810.Estudio de nanodureza 43 10.1. Análisis de la muestra C50-030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 10.1.1. Pruebas transversales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 10.1.2. Pruebas superciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 10.2. Análisis de la muestra C80-030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 10.2.1. Pruebas transversales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 10.2.2. Pruebas superciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46V Corrosión 4811.Tipos de corrosión 48 11.1. Corrosión generalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 11.2. Corrosión por grietas o suras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 11.3. Corrosión por picaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 11.4. Corrosión bajo tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 11.5. Corrosión intergranular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5212.Análisis de las probetas 52 12.1. Probetas C50- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 12.2. Probetas C80- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2
    • VI Haz iónico focalizado (FIB) 5613.Principios básicos 5614.Estudio experimental 58 14.1. Análisis de la probeta C50-030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 14.2. Análisis de la probeta C80-030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3
    • 4
    • 5 PREFACIO Esta asignatura consiste en el estudio y aprendizaje de técnicas, principalmente ex-perimentales, y a la formulación de modelos teóricos que se utilizan en el área de lamodicación de supercies mediante la técnica de difusión atómica. La nalidad de estaasignatura, es adquirir la metodología cientíca y el aprendizaje de las técnicas necesariaspara llevar a cabo la investigación. La cementación iónica, una de las variantes de la técnica de modicación de superciesmediante difusión, es un método nuevo que poco a poco se va imponiendo en la industriaactual, compitiendo incluso con su variante más conocida: la nitruración. Sin embargo, alser una reciente entrada aún no se tienen en claro varios conceptos, por lo que se hacenecesario una caracterización concienzuda para revelar el comportamiento del materialmodicado y entrever sus posibles aplicaciones. En este trabajo se harán análisis de probetas de acero inoxidable austenítico que hansido sometidas al proceso de cementación iónica. El descubrimiento más importante escomprobar la existencia de una fase denominada austenita expandida que es la responsablede entregar a las probetas unas mejoras en sus propiedades mecánicas y tribológicas. Traslos tratamientos se aplican varias técnicas de caracterización metalográcas, explicandolos principios en los que se basan, los parámetros y los dispositivos utilizados durante elexperimento y una plausible explicación teórica que aclare lo observado. Los estudios de Microscopía Óptica, los análisis de dureza y la prueba de corrosiónse llevaron a cabo en el Laboratorio de Metalurgia del Instituto de Mecánica Aplicada yEstructuras de Rosario (Argentina) a cargo de la Dra. Liliana Nosei. Parte de los análisisde corrosión se hicieron en colaboración con el Institut Universitaire de Technologie dela Université des Sciences et des Technologies de Lille, situada en Lille (Francia) a cargode los Doctores D. Chicot y J. Lesage. Los análisis de Nanoindentación y las pruebas deFIB se llevaron a cabo en el Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale de laUniversita Roma Tre de Roma (Italia) a cargo del Dr. E. Bemporad.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 6 1 PROCESO PREVIOParte IPreparación de muestras1. Proceso previo En primer lugar se obtuvo de ROLDÁN S.A.-Aceros Inoxidables una barra de aceroaustenítico AISI 316L de una pulgada de diámetro (≈ 2,54 cm) y 50 cm de longitud.Según la hoja de características del vendedor la barra poseía la siguiente composiciónporcentual de elementos: Elemento Porcentaje Carbono 0,0300 Fósforo 0,0400 Azufre 0,0260 Silicio 0,3190 Manganeso 1,3440 Cromo 17,0180 Níquel 10,6590 Molibdeno 2,1840 Titanio 0.0040 Cobre 0,3800 Hierro 67,9960 En taller la barra se cortó en probetas de 7 mm de espesor y fueron recticadas porambas caras para eliminar posibles imperfecciones y rugosidades. Una vez hecho esto secomenzó el pulido, el cual consta de tres fases: 1. El primer paso fue recurrir al pulido en correa motorizada usando lijas de tamaño de grano 80 y 400. Como refrigeración se recurrió al uso de agua. El pulido con cada lija se hizo de la siguiente manera: se lijó en una única dirección hasta que las marcas que estaban en otras direcciones desaparecieron, a continuación se gira 90o la probeta y se repite el proceso hasta que sólo aparezcan las marcas de este sentido. 2. Tras realizar todo esto con las lijas motorizadas de tamaño 80 y 400, se aplicaron lijas de tamaño de grano 600 y 1000, repitiendo de forma manual (sin usar la correa motorizada) el proceso anterior: eliminar marcas, girar y pulir hasta volver a eliminar marcas. 3. Tras este proceso de pulido se le intentó dar un acabado espejado recurriendo a un torno con un paño empapado con líquido que poseía partículas de alúmina de tamaño de 1 𝜇m. Tras trabajar con el torno, las probetas nalmente se lavaron conTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 2 TRATAMIENTO 7 agua, se limpiaron con papel secante y se pusieron bajo un secador durante medio minuto. En el caso de observar rayaduras se repetirá el pulido a partir de la lija de tamaño de grano 600.Tras este trabajo se guardaron en lugar oscuro y seco envueltas en algodón para evitarposibles daños.2. Tratamiento Ya construidas y pulidas las probetas, indicaremos el proceso que realizamos paracementarlas. En primer lugar, tras retirarlas de su envoltura de algodón, se limpian conacetona para eliminar así cualquier polución existente, por lo que deberemos limpiar todasu supercie, no sólo la parte a cementar. Inmediatamente, se las limpia con papel secantey se colocan en el cátodo de la cámara. Durante este proceso deben llevarse guantesprotectores para que la grasa de los dedos no se adhiera a la probeta, ya que esto inuiríanegativamente sobre el experimento. Como convenio colocamos en el cátodo tres probetas lo más posiblemente alejadasentre sí. La razón de colocar tres probetas se debe a que por motivos inherentes al expe-rimento (entrada de gases fuera de las proporciones establecidas, ujo de gas turbulento,temperatura fuera de los rangos de seguridad, etc.) puede ocurrir que no se dé la ce-mentación en una parte del cátodo, luego poner sólo una probeta sería muy arriesgado.Además, con tres probetas tenemos sucientes para aplicar todos los procesos de caracte-rización, ya que algunos de los que aplicaremos serán destructivos y sólo podrán utilizarseuna vez. La explicación de por qué deben estar separadas entre sí es para evitar la creaciónde un cátodo hueco y la consecuente elevación desmesurada de la temperatura en esa zona. Una vez colocadas en su posición en el cátodo cerramos la tapa superior y abrimos latubería que porta el agua de refrigeración. A continuación se activa la bomba de vacío ylas válvulas de evacuación se abren al máximo. La presión base de trabajo es 2, 00 ⋅ 10−2Torr. Al alcanzar la presión base se abre el tubo de hidrógeno y se llena el reactor de estegas. Para ello, cerramos la válvula de mayor evacuación de la bomba y dejamos abierta laválvula de menor evacuación por la que saldrá un caudal jo. De esta manera evitamosperder una gran cantidad de gas que convertiría el proceso en algo muy costoso. La presiónde H2 en la cámara será (tomando valores promediados de las seis sesiones) es 1,113±0,003Torr. Conectaremos entonces la fuente a la resistencia de carga y a la toma de corrienteencendiéndola de este modo. Con el Autotransformador iremos aumentando la tensiónque entregamos al plasma lentamente, para recorrer así toda la zona oscura de manerauniforme y llegar a la ruptura de esta forma. Si el aumento de tensión se realizase rápidoes probable que se formasen arcos peligrosos en la cámara. Una vez que obtengamos ladescarga glow deberemos dejar este plasma durante 15 minutos a una tensión de 446 ± 10V, intensidad de 150 ± 20 mA y temperatura de 40 ± 3o C, cuyos valores y errores tambiénJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 8 2 TRATAMIENTOestán promediados sobre los datos de las seis sesiones. Este plasma limpiará la superciede posibles óxidos y ayudará al posterior proceso de cementación. Tas la limpieza con hidrógeno la cámara se llenará con los gases restantes (argón ymetano) a las proporciones establecidas, llegando así a la presión de trabajo. En nuestrotrabajo la presión a la que cementaremos será de 3,750 Torr a una temperatura que sesituará siempre entre 400 − 410o C, dejando libre la tensión que recorrerá el plasma. Portanto, los únicos parámetros de ajuste con los que contamos serán la presión (medianteel ajuste de cada una de sus válvulas) y la tensión del plasma. El trabajo se realizará condos mezclas diferentes y cada ésta durante sesiones de 30, 60 y 120 minutos. Los gasesque usaremos para crear nuestra atmósfera serán el Ar, el H2 y el CH4 en las siguientesproporciones: Las probetas indicadas como C50- poseerán una atmósfera de 50 % Ar  45 % H2  5 % CH4 . Como la presión de trabajo será de 3,750 Torr esto se traduce en los siguientes valores de presiones parciales: 1,874 Torr de Ar, 1,688 Torr de H2 y 0,188 Torr de CH4 . La nomenclatura para esta mezcla irá seguida de 030, 060 ó 120, según el tiempo de tratamiento. Las probetas indicadas como C80- poseerán una atmósfera de 80 % Ar  15 % H2  5 % CH4 . Como la presión de trabajo será de 3,750 Torr esto se traduce en los siguientes valores de presiones parciales: 3,000 Torr de Ar, 0,562 Torr de H2 y 0,188 Torr de CH4 . La nomenclatura para esta mezcla irá seguida de 030, 060 ó 120, según el tiempo de tratamiento. Llegados a la presión de trabajo con las proporciones adecuadas iremos aumentandola tensión del plasma poco a poco hasta llegar a un valor de temperatura por encimade 400o C, momento en el que deberemos empezar a tomar el tiempo, ya que es cuandocomienza el proceso de cementación. La subida progresiva de 40 hasta 400o C duraránormalmente entre 35 − 45 minutos. Durante el proceso de cementación, se controlará en todo momento la presión y latemperatura (ésta ajustada mediante la tensión), tomándose estos valores, además de latensión y de la corriente cada un cierto tiempo (cada 10 en las sesiones de treinta minutosy cada 15 en las sesiones de sesenta y ciento veinte minutos). Finalizado el tiempo decementación se irá reduciendo progresivamente la tensión hasta que la fuente no entreguemás tensión. Se cerrarán las válvulas de entrada de gases a la cámara y se abrirá laválvula de máxima evacuación de la bomba de vacío. De esta manera se enfriarán demanera natural las tres probetas bajo un ambiente de vacío y sólo podremos abrir lacámara una vez que el termopar indique que se llegó a la temperatura de 70o C. De estamanera evitaremos que se produzca una oxidación u otras reacciones al abrir por encimade este valor. La presencia del vacío durante el enfriamiento se debe a que se tiene cuidadoen que no se dé cementación residual y no aparezcan compuestos no deseados. Desactivadala bomba y cerrada la refrigeración de los o-ring se sacarán las probetas con guantes.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 2 TRATAMIENTO 9 Antes de realizar cualquier estudio de caracterización debemos dejar que las probetaslleguen a temperatura ambiente y tras eso limpiarlas por varios pasos: 1. Utilizando detergente neutro se limpiará la zona cementada con un cepillo hasta eliminar la capa de grato. 2. Se lavarán en agua, se limpiarán con papel secante y se secarán durante medio minuto con un secador. 3. Se le aplicará un paño adosado a un torno (contendrá algo de alúmina al ser el mismo torno que utilizamos para realizar el acabado espejado, por lo que no añadimos más). Este proceso debe ser instantáneo para no eliminar la capa de cementación, pero lo sucientemente duradero como para eliminar las islas de compuestos superciales adheridas, no difundidas por consiguiente.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 10 3 PRINCIPIOS Y TIPOS DE MICROSCOPIOSParte IIMicroscopía Óptica3. Principios y tipos de microscopios [Microscopios] [Óptica] El tipo de microscopio más utilizado es el microscopio óptico, que se sirve de la luzvisible para crear una imagen aumentada del objeto. El microscopio óptico más simplees la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar unobjeto hasta 15 veces. Por lo general se utilizan microscopios compuestos, que disponende varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores. Algunos microscopios ópticospueden aumentar un objeto por encima de las 2000 veces. El microscopio compuesto consiste en dos sistemas de lentes, el objetivo y el ocular,montados en extremos opuestos de un tubo cerrado. El objetivo está compuesto de variaslentes que crean una imagen real aumentada del objeto examinado. Las lentes de losmicroscopios están dispuestas de forma que el objetivo se encuentre en el punto focal delocular. Cuando se mira a través del ocular se ve una imagen virtual aumentada de laimagen real. El aumento total del microscopio depende de las longitudes focales de losdos sistemas de lentes. Figura 1: Esquema de un microscopio óptico. El equipamiento adicional de un microscopio consta de un armazón con un soporte quesostiene el material examinado y de un mecanismo que permite acercar y alejar el tubopara enfocar la muestra. Los especímenes o muestras que se examinan con un microscopioson transparentes y se observan con una luz que los atraviesa, y se suelen colocar sobre unrectángulo no de vidrio. El soporte tiene un oricio por el que pasa la luz. Bajo el soporteTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 3 PRINCIPIOS Y TIPOS DE MICROSCOPIOS 11se encuentra un espejo que reeja la luz para que atraviese el especimen. El microscopiopuede contar con una fuente de luz eléctrica que dirige la luz a través de la muestra. La MO actual tiene un poder resolutivo de 0,2 𝜇m, unas mil veces la del ojo humano.Existen distintas variantes de observación mediante Microscopía Óptica: Microscopía óptica normal (de campo brillante coloreado): El material a observar se colorea con colorantes especícos que aumentan el contraste y revelan detalles que no se aprecian de otra manera. Microscopía de campo brillante: el material se observa sin coloración. La luz pasa directamente y se aprecian detalles que estén naturalmente coloreados. El microscopio en campo oscuro: utiliza una luz muy intensa en forma de un cono hueco concentrado sobre el especimen. El campo de visión del objetivo se encuentra en la zona hueca del cono de luz y sólo recoge la luz que se reeja en el objeto. Por ello, las porciones claras del especimen aparecen como un fondo oscuro y los objetos minúsculos que se están analizando aparecen como una luz brillante sobre el fondo. Esta forma de iluminación se utiliza para analizar elementos biológicos transparentes y sin manchas, invisibles con iluminación normal. Microscopía en contraste de fase: se usa principalmente para aumentar el con- traste entre las partes claras y oscuras de las células sin colorear. Es ideal para especímenes delgados, o células aisladas. El microscopio de fase ilumina el especi- men con un cono hueco de luz, como en el microscopio en campo oscuro. Sin embargo en el microscopio de fase el cono de luz es más estrecho y entra en el campo de visión del objetivo, que contiene un dispositivo en forma de anillo que reduce la intensidad de la luz y provoca un cambio de fase de un cuarto de la longitud de onda. Este tipo de iluminación provoca variaciones minúsculas en el índice de refracción de un especimen transparente, haciéndolo visible. Este tipo de microscopio es muy útil a la hora de examinar tejidos vivos, por lo que se utiliza con frecuencia en biología y medicina. Nomarski, microscopía diferencial de contraste de interferencia (DIC): utiliza dos rayos de luz polarizada y las imágenes combinadas aparecen como si la célula estuviera proyectando sombras hacia un lado. Fue diseñado para observar re- lieves de especímenes muy difíciles de manejar, es muy utilizado en los tratamientos de fertilización in-vitro actuales. DIC se usa cuando el especimen es muy grueso para usar contraste de fases. Microscopía de uorescencia: una sustancia natural en las células o un colorante uorescente aplicado al corte es estimulado por un haz de luz, emitiendo parte de la energía absorbida como rayos luminosos: esto se conoce como uorescencia. La luzJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 12 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS uorescente de mayor longitud de onda se observa como si viniera directamente del colorante. Microscopía confocal: es una técnica óptica de imagen para incrementar el con- traste y/o reconstruir imágenes tridimensionales utilizando un colimador espacial para eliminar la luz desenfocada o destellos de la lente en especímenes que son más gruesos que el plano focal. Esta técnica ha ido adquiriendo cada vez mayor pop- ularidad entre las comunidades cientíca e industrial. Se aplica típicamente en las ciencias de la vida y en la inspección de semiconductores.4. Estudio óptico de las muestras Gracias a este instrumento realizaremos un estudio visual de las muestras. El micros-copio que utilizamos es de marca OLYMPUS modelo MG, con posibilidad de observarla muestra con 100 e incluso 400 aumentos. Posee una fuente propia de luz y una seriede tornillos micrométricos para desplazar la supercie de observación. Con la ayuda deuna Cámara Digital podremos fotograar la zona de estudio y con un software adecuadopodremos manipular la foto para eliminar la intensa iluminación que otorga la bombilladel propio microscopio. En nuestro trabajo recurriremos al microscopio óptico para analizar tanto la superciecomo la sección transversal. El análisis de la supercie se realizará antes de limpiar la capade grato y una vez realizada la limpieza para observar los granos presentes y los planosde deslizamiento. Además, también nos servirá a la hora de observar las indentacionesen las pruebas de dureza y al observar las huellas de desgaste. Para realizar este estudiosólo debemos colocar la probeta en el lugar a estudiar y proceder a la focalización. Sinembargo, para estudiar la sección transversal, no será tan sencillo, ya que es necesariocortar la probeta. Gracias a este estudio podremos indicar el espesor de la capa cementada,comprobando incluso la presencia de planos de deslizamiento y los granos del acero. Lospasos necesarios para llevar a cabo este estudio parten de cortar la probeta con unasierra de corte refrigerada, siempre empezando el corte en la supercie tratada. De estamanera evitamos que se desprenda la capa cementada. Una vez cortada la probeta se laincluirá en una matriz de baquelita, creada a altas temperaturas y presiones. Cuando seenfríe la matriz procederemos a un proceso de pulido idéntico al que realizamos en lasprobetas sin tratar (lijas motorizadas de 80 y 400, pulido manual de 600 y 1000, paño dealúmina en torno). Finalmente, para revelar la estructura deberemos realizar un ataqueelectroquímico durante 30 segundos recurriendo a una solución de 10 % de ácido oxálicoen un aparato LECTROPOL-STRUERS.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS 134.1. Espesor de la capa cementada del grupo C50- El primer paso necesario para caracterizar nuestro tratamiento de cementación esmedir el espesor de la capa cementada. Esto se consigue cortando la probeta, tal y comose explicó anteriormente. La inspección mediante Microscopio Óptico se realiza con 400x. Para la sesión C50-030 obtenemos una capa que ocupa toda la supercie de la probetay es bastante uniforme. Su espesor es de 14 𝜇m. Se puede observar en la imagen que lazona de austenita expandida se corta abruptamente, aunque hay que admitir que el acerosigue difundiéndose hacia zonas más internas. Este corte es típico de la técnica de difusióniónica empleada. En cuanto a la sesión C50-060 también obtendremos una capa uniforme que cubretoda la supercie. El espesor medido es de 13 𝜇m, es decir, inferior al tratamiento demedia hora. Sin embargo, debemos observar que la corriente y la tensión de esta sesiónfueron valores bajos, llegando por consiguiente los iones con una energía más baja. En el último caso, la sesión C50-120 obtenemos una capa que ocupa toda la superciepero es rugosa en la interfase austenita expandida-acero. Esto provoca que el espesor varíeentre 11−22 𝜇m. En el caso de no atender a los valores extremales que indicamos tenemosque el espesor medio está por encima de los obtenidos en las anteriores sesiones. En estasesión se comprobó en el osciloscopio que la tensión de descarga tenía un aspecto diferenteal resto, por lo que tenemos constancia de que ocurría un efecto no deseado en la cinéticadel plasma. Figura 2: Imagen de la muestra tratada durante 30 minutos.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 14 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS Figura 3: Imagen de la muestra tratada durante 60 minutos. Figura 4: Imagen de la muestra tratada durante 120 minutos. Se ve claramente que el espesor aumenta conforme aumenta el tiempo de cementación(si hacemos una extrapolación al caso de tensiones idénticas en estas tres sesiones). Esun resultado lógico, puesto que es el carbono el que provoca la creación de la capa. Losgranos que forman el acero se conservan dentro de la capa, por lo que se demuestraque la expansión se realiza sobre una estructura previamente formada, por este motivose ha ahorrado el paso de tener que crear una estructura cristalina y deformarla por lacementación. En esto se basa la técnica de la difusión: en modicar una supercie yaexistente. Hay que observar también que los planos de deslizamiento dentro de cada grano, asoci-ados a los planos (111) compactos, han desaparecido en gran medida en la zona cementada.La desaparición de estos planos puede estar causada por el ataque electroquímico al querecurrimos para revelar la estructura, el cual no ha sido lo sucientemente agresivo comopara presentarlos (aunque en algunas fotografías sí son observables). Estos planos no handesaparecido físicamente, ya que pueden observarse al mirar la supercie. Este resultadoes totalmente contrario al caso de las probetas sometidas a nitruración iónica, donde laTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS 15estructura se revela principalmente en la capa nitrurada y mucho menos en el materialbase.4.2. Espesor de la capa cementada del grupo C80- El estudio mediante Microscopio Óptico sobre la supercie tratada indica la presenciade granos, incluidos algunos planos de deslizamiento, correspondientes éstos a los planos(111) de la austenita. Estos granos se observan siempre, ya esté la muestra limpia oaún cubierta de grato, pues la austenita expandida se forma a partir de la estructuraaustenítica ya presente en el material base, por lo que armamos que sólo hemos modi-cado la supercie. Ahora debemos medir el espesor de la capa cementada, para comprobarasí el éxito de nuestro tratamiento. Para ello, es necesario cortar la probeta, incluirla enbaquelita y atacarla electroquímicamente. El análisis bajo Microscopio Óptico se realizócon 400x. Para la sesión C80-030 tenemos una capa que ocupa toda la superce, siendo ademásmuy uniforme. El espesor es de 17 𝜇m. Tras el corte abrupto típico de la capa continúala difusión del carbono hacia el interior, aunque no forma austenita expandida. Considerando la probeta C80-060 comprobamos que la capa cementada no ocupa todala superce, sino la parte central. También observamos que la supercie es altamenterugosa. El espesor oscila entre 13 − 24 𝜇m, aunque el espesor medio es superior al de lasesión anterior. Esta capa irregular puede estar provocada por la baja tensión de trabajoy posiblemente a una uctuación inherente al proceso. En el caso de la sesión C80-120 conseguimos una capa que ocupa toda la superciesometida a tratamiento y que ésta es muy uniforme. El espesor que medimos en dichacapa es de 27 𝜇m. Figura 5: Imagen de la muestra tratada durante 30 minutos.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 16 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS Figura 6: Imagen de la muestra tratada durante 60 minutos. Figura 7: Imagen de la muestra tratada durante 120 minutos. Como resultado global podemos admitir que el espesor aumenta con el tiempo de lasesión, debido a la mayor cantidad de carbono que llega al acero inoxidable, que, comoya se indicó, ingresa al reactor a la misma tasa en todas las sesiones, lo cual convierte altiempo en la única variable que hace aumentar la cantidad de C. El proceso de cementacióniónica mantuvo la presencia y la forma de los granos, aunque no se observa gran cantidadde planos (111) de deslizamiento. La ausencia de estos planos compactos está motivadapor el ataque electroquímico que no consiguió revelar la estructura de la capa para unanálisis transversal de las probetas.4.3. Análisis de la supercie Los análisis de Microscopía Óptica de la supercie de las muestras indican que el as-pecto es idéntico para todas las probetas, donde se localizan los granos con sus planos dedeslizamiento. Esta estructura es identicable tras la limpieza de la muestra, ya que lacapa de grato existente en el proceso de cementación la oculta en los primeros instantes.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 4 ESTUDIO ÓPTICO DE LAS MUESTRAS 17Este aspecto supercial indica claramente que el proceso de cementación iónica se basaen la ocupación de los átomos de carbono en la red austenítica existente, deformándolapor su presencia, por lo que la estructura no se ve alterada radicalmente ni cambiada aotra diferente. Los planos de deslizamiento son los (111) debido a que son los de empa-quetamiento compacto, por lo que no poseen huecos y por el bombardeo de los iones deargón se ven desplazados de su posición original. En las imágenes tomadas mediante microscopio es general que se la acompañe conuna escala. De esta manera se pueden indenticar el tamaño de los granos y de la capacementada. Las imágenes tomadas mediante la cámara digital miden 9 cm y como laimagen fotograada a los aumentos 100X y 400X, es necesario dividir por el valor delaumento para determinar las dimensiones que se están observando. Para poner la escala serecurre al programa Photoshop; la imagen en este programa tendrá una longitud diferentea la tomada por la cámara, por lo que se hace necesario recurrir a las reglas de tres paraidenticar qué longitud de la foto en el programa ha de tomarse para representar la escalaque se desea.Figura 8: Imagen microscópica a 100X de la supercie de la probeta C50-030. Se observanlos granos y sus planos de deslizamiento.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 18 5 LA DUREZAParte IIIPruebas de dureza5. La dureza [Dureza, 2009] [Indentaciones] La dureza es la propiedad de un material por la cual le permite a éste resistir lasdeformaciones plásticas, normalmente la penetración. Sin embargo, el término durezapodría referirse a la resistencia al doblado, al rayado, a la abrasión o al corte. La dureza no es sólo una propiedad intrínseca del material impuesta por denicionesprecisas en términos de las unidades fundamentales de masa, longitud y tiempo. Porconsiguiente, un valor de la propiedad dureza será el resultado de un procedimiento demedida denido. La dureza de los materiales probablemente asegura la resistencia al rayado o al corte.Un ejemplo podría ser que el material B raya al material C, pero no al material A.Alternativamente, el material A raya al material B ligeramente y raya en gran maneraal material C. La dureza relativa de los minerales se puede identicar por referencia a laescala Mohs que clasica la capacidad de los materiales de resistir el rayado de otro. Aúnse usan actualmente métodos similares de identicación de la dureza relativa. Sin embargo, las pruebas de dureza relativas están altamente limitadas en la prácticay no otorgan datos numéricos exactos o escalas para los metales y materiales actuales. Elmétodo usual para obtener un valor de dureza es medir la profundidad o el área de unaindentación creada por un indentador de una forma, con una fuerza aplicada y durante untiempo especícos. Existen tres métodos de prueba principales tabulados para expresar larelación entre dureza y tamaño de la impresión. Éstos son Brinell, Vickers y Rockwell. Porrazones prácticas y de calibración, cada uno de estos métodos se dividen en un rango deescalas denidas por la combinación de una carga aplicada y una geometría de indentador. Los métodos de pruebas de dureza analizados son los siguientes: Prueba de dureza Rockwell Prueba de dureza supercial Rockwell Prueba de dureza Brinell Prueba de dureza Vickers Prueba de microdureza Prueba de dureza Mohs Escleroscopio y otros métodos de prueba de durezasTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 19 Figura 9: Tabla de conversión de durezas.5.1. Conversión o equivalentes en dureza La conversión matemática de dureza ente diferentes métodos y escalas no puede hacersede una manera exacta para un amplio rango de materiales. Las diferentes cargas, las formasdistintas de los indentadores, la homogeneidad del especimen, las propiedades de trabajoen frío y las propiedades elásticas complican el problema. Todas las tablas y cartas debenconsiderarse de manera aproximada y más cuando se convierte a un método o escala queno es físicamente posible aplicar para estudiar un material en concreto.6. Tipos de pruebas de dureza [Dureza, 2009] [Indentaciones]6.1. Prueba de dureza Rockwell El método consiste en indentar el material de prueba con un cono de diamante o unindentador de bola de acero endurecido. Se fuerza al indentador en el material a estudiarbajo una carga preliminar menor 𝐹0 , normalmente 10 kgf. Cuando se alcanza el equilibrio,un dispositivo (que sigue los movimientos del indentador y por lo tanto responde a loscambios en profundidad de penetración del indentador) ja el valor de esa posición. Mien-tras la carga preliminar menor se sigue aplicando se ejercerá una carga mayor adicional,lo que dará un incremento de penetración. Cuando se vuelve a alcanzar el equilibrio seelimina esta carga mayor, menteniendo aún la carga menor. Esta eliminación de cargaJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 20 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZApermite una recuperación parcial, por lo que se reducirá la profundidad de penetración.Por tanto, el incremento permanente en la profundidad de penetración (resultante de laaplicación y sustracción de la carga adicional mayor) sirve para determinar el número dedureza Rockwell. HR = 𝐸 − 𝑒en donde 𝑒 es el incremento permanente en la profundidad de penetración debido a lacarga mayor medido en unidades de 0,002 mm; 𝐸 es una constante que depende de laforma del indentador: 100 unidades para el indentador de diamante y 130 unidades parael indentador de bola de acero, y HR es el número de dureza Rockwell. Figura 10: Esquema de la prueba de dureza Rockwell. Se tiene que 𝐹0 es la carga menor preliminar en kgf; 𝐹1 es la carga mayor adicional enkgf; 𝐹 es la carga total en kgf, y 𝐷 es el diámetro de la bola de acero. Dentro de los esudios de la dureza Rockwell existen varias divisiones: HRA Carburos cementados, acero delgado y acero endurecido liso. HRB Aleaciones de cobre, aceros blandos, aleaciones de aluminio, hierros maleables, etc. HRC Acero, hierros duros de fundición, aceros endurecidos y otros materiales con dureza mayor que 100 HRB. HRD Acero delgado, acero medio endurecido y hierro perlítico maleable. HRE Hierro fundido, aleaciones de magnesio y aluminio, cojinetes metálicos. HRF Aleaciones recocidas de cobre, hojas nas metálicas blandas. HRG Bronce fosforado, berilio cuprado, hierros maleables. HRH Aluminio, zinc, plomo HRK, HRL, HRM, HRP, HRR, HRS y HRV Cojinetes de metal blando, plás- ticos y otros materiales muy blandos.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 21 Figura 11: Clasicación de los distintos métodos Rockwell. Las ventajas del método de dureza Rockwell incluyen la lectura directa del número dedureza Rockwell y un rápido tiempo de medición. Las desventajas es que incluye muchasescalas arbitrarias no relacionadas entre sí y posibles efectos del soporte del especimen.6.2. Prueba de dureza supercial de Rockwell El método consiste en indentar el material de prueba con un cono de diamante (deescala 𝑁 ) o un indentador de bola de acero endurecido. Se fuerza al indentador en elmaterial de prueba bajo una carga preliminar menor 𝐹0 , normalmente 3 kgf. Cuando sealcanza el equilibrio, un dispositivo indicador que sigue los movimientos del indentador yque por lo tanto responde a los cambios en la profundidad de penetración del indentador,se ajusta al valor de dicha posición. Mientras que la carga menor preliminar aún se aplica,una carga mayor adicional aparece y resulta un incremento en la penetración. Cuandoel equilibrio se vuelve a alcanzar, esta carga adicional mayor se retira y se mantiene lacarga menor preliminar. Esta retirada permite una recuperación parcial, reduciendo porconsiguiente la profundidad de penetración. El incremento permanente en la profundidadde penetración, 𝑒, resultante de la aplicación y retirada de la carga adicional mayor se usapara calcular el número de dureza supercial Rockwell.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 22 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA Figura 12: Esquema de la prueba de dureza supercial de Rockwell. HR = 𝐸 − 𝑒en donde 𝑒 es el incremento permanente en la profundidad de penetración debido a lacarga mayor medido en unidades de 0,001 mm; 𝐸 es una constante de 100 unidades paralos indentadores de diamante y de bola, y HR es el número de dureza Rockwell Figura 13: División de las diferentes técnicas Rockwell. 𝐹0 es la carga menor preliminar en kgf; 𝐹1 es la carga mayor adicional en kgf; 𝐹 es lacarga total en kgf, y 𝐷 es el diámetro de la bola de acero.6.3. Prueba de dureza Brinell Consiste en indentar el material a analizar con una bola de acero endurecido o decarburo de 10 mm de diámetro, aplicando una carga de 3000 kg. Para materiales másblandos, esta carga se puede reducir hasta los 1500 o los 500 kg, para evitar así unaTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 23excesiva indentación. La carga total normalmente se aplica durante 10 ó 15 segundosen el caso del hierro y del acero, y durante al menos 30 s en el caso de otros metales. Eldiámetro de la indentación que queda en el material analizado se mide con un microscopiode baja potencia. El número de dureza Brinell se calcula dividiendo la carga aplicada (𝐹 )por el área de la supercie de la indentación. 𝐹 BHN = ( √ ) 𝜋 2 2 𝐷 𝐷 − 𝐷2 − 𝐷𝑖 Figura 14: Esquema de prueba de dureza Brinell con 𝐷 el diámetro de la bola y 𝐷𝑖 el diámetro de la huella obtenida en el material. El diámetro de la impresión es el promedio de dos lecturas del diámetro a ángulosrectos (siempre que la indentación posea un diámetro entre 2,5 y 4,75 mm y el indentadorno se haya deformado) y recurriendo al uso de una tabla de números de dureza Brinellse puede simplicar la determinación de la dureza Brinell. Un número de dureza Brinellbien estructurado revela las condiciones de prueba y se asemeja al ejemplo siguiente: 75HB 10/500/30 que indica que se obtuvo una dureza Brinell de 75 al usar una bola deacero endurecido de 10 mm de diámetro con una carga aplicada de 500 kg durante unperiodo de 30 segundos. En las pruebas sobre metales extremadamente duros se sustituyela bola de acero por una bola de carburo de tungsteno. Al compararse con otros métodosde prueba de durezas, la bola Brinell hace la indentación más profunda y más ancha,así que la prueba promedia la dureza sobre una cantidad mayor de material, por lo queconsiderará más exactamente las múltiples estructuras de granos y cualquier irregularidaden la uniformidad del material. Este método es el apropiado para alcanzar la masa o lamacro-dureza de un material, particularmente aquéllos con estructuras heterogéneas.6.4. Prueba de dureza Vickers [Müller, 1973] El método de prueba Vickers consiste en indentar el material de prueba con un in-dentador de diamante, en la forma de una pirámide recta de base cuadrada y un ánguloJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 24 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZAde 136o entre caras opuestas sujetas a una carga de 1 a 100 kgf. La carga total se apli-ca normalmente durante 10 ó 15 segundos. Se miden las dos diagonales dejadas por laindentación en la supercie del material tras retirar la caga mediante un microscopio yse calcula su promedio. Se calcula entonces el área de la supercie inclinada. La durezaVickers es por tanto el cociente obtenido al dividir la fuerza en kgf por el área cuadradaen mm de la indentación. Figura 15: Esquema de la prueba de dureza Vickers. 𝐹 es la carga en kfg; 𝑑 es la media aritmética de las dos diagonales, 𝑑1 y 𝑑2 se expresanen mm, y HV es la dureza Vickers. o 2𝐹 sen 136 2 𝐹 HV = 2 ≈ 1,854 2 𝑑 𝑑 Cuando se determina la diagonal media de la indentación se puede entonces calcularla dureza Vickers a partir de la fórmula, pero se hace más conveniente usar tablas deconversión. La dureza Vickers debería expresarse como 800 HV/10, lo que indica unadureza Vickers de 800, obtenida usando una fuerza de 10 kgf. Se comprueba que variosvalores de carga diferentes dan números de dureza prácticamente iguales si se analiza unmaterial uniforme, lo que es una ventaja sobre el cambio arbitrario de la escala en otrosTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 25métodos de prueba de durezas. Las ventajas de las pruebas de dureza Vickers son quese consiguen lecturas extremadamente exactas y sólo un tipo de indentador es el que seutiliza para todos los tipos de metales y tratamientos superciales. Aunque es una técnicabastante adaptable y muy precisa a la hora de analizar los materiales más blandos y másduros, bajo cargas variables, el dispositivo Vickers es una unidad apoyada en el suelo quees incluso más cara que los dispositivos Brinell y Rockwell. Actualmente, existe una tendencia en expresar la dureza Vickers en unidades SI (MPao GPa), particularmente en los artículos académicos). Desafortunadamente, esto puedecausar gran confusión. El valor de dureza Vickers (por ejemplo, HV/30) debería expresarsesólo como un número (sin unidades de kgf/mm2 ), por lo que una aplicación rigurosa del SIserá un problema. La mayoría de dispositivos de pruebas de dureza Vickers usan fuerzasde 1, 2, 5, 10, 30, 50 y 100 kgf y contienen tablas para calcular HV. El SI debería indicarla fuerza involucrada en newtons (comparar 700 HV/30 con HV/294 N = 6,87 GPa), loque carece prácticamente de signicado y tiende a la confusión entre técnicos e ingenieros.Para convertir un número de dureza Vickers la fuerza aplicada se necesita convertir de kgfa N y el área necesita convertirse de mm2 a m2 para dar resultados en pascales al usar lafórmula de arriba. Además, se pueden seguir las siguientes transformaciones: Para convertir HV a MPa se multiplica por 9,807 Para convertir HV a GPa se multiplica por 0,0098076.5. Prueba de microdureza [Kar, 2006] Este término se reere normalmente a indentaciones estáticas realizadas con cargasque no excedan 1 kgf. El indentador puede ser una pirámide Vickers de diamante o unapirámide elongada Knoop de diamante. El procedimiento a llevar a cabo es muy similar alque se realiza con la prueba estándar de dureza Vickers, excepto que se hace a una escalamicroscópica con instrumentos de alta precisión. Se requiere un acabado metalográcode la supercie a analizar; mientras más baja sea la carga utilizada, mayor deberá ser elacabado de la supercie. Para medir las indentaciones se usan microscopios de precisión;éstos poseen una magnicación de alrededor de 500X y se puede medir con una exactitudde ±0,5 micrómetros, e incluso un buen observador podría llegar a resolver diferenciasde ±0,2 𝜇m. Sin embargo, se deberían otorgar altas precauciones y un alto grado deexperiencia a la hora de obtener esta exactitud.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 26 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA Figura 16: Estudio de la pirámide Knoop. El número de dureza Knoop KHN es el cociente entre la carga aplicada al indentador,𝑃 (kgf), y el área proyectada que no se recobró de la deformación, 𝐴 (mm2 ). 𝐹 𝑃 KHN = = 𝐴 𝐶𝐿2en donde 𝐹 es la carga aplicada en kgf; 𝐴 es el área no recuperada proyectada de laindentación en mm2 ; 𝐿 es la longitud medida de la diagonal mayor de la indentación enmm, y 𝐶 = 0,07028 es la constante del indentador que relaciona el área proyectada de laindentación con el cuadrado de la longitud de la diagonal mayor. El indentador Knoop es un diamante pulido hasta conseguir la forma piramidal queproduce una marca de indentación que tiene aproximadamente una razón entre la diagonalmayor y menor de 7:1 con ángulos puntuales de 130 y 172o , respectivamente. Según esto,la profundidad de indentación es casi 30 de su longitud. Cuando se mide la dureza Knoop, 1sólo se mide la diagonal mayor de la indentación y es ésta la que se usa en la fórmula dearriba con la carga empleada para calcular KHN. Sin embargo, es más conveniente usartablas de estos valores que obtener los valores KHN a partir de una medida.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 27 Figura 17: Esquema de la pirámide Vickers. El número de dureza Vickers con pirámide de diamante es la carga aplicada (kgf)dividida por la supercie del área de indentación (mm2 ): o 2𝐹 sen 136 2 𝐹 HV = 2 ≈ 1,854 2 𝑑 𝑑donde 𝐹 es la carga en kgf; 𝑑 es la media aritmética de las dos diagonales (𝑑1 y 𝑑2 ) enmm, y HV la dureza Vickers. Figura 18: Microscopía óptica de las indentaciones de microdureza. El indentador Vickers de diamante con forma de pirámide se pule hasta obtener laforma de una pirámide de base cuadrada con un ángulo de 136o entre caras opuestas. Laprofundidad de indentación es casi 1 de la longitud de la diagonal. Cuando se calcula el 7número de dureza Vickers con pirámide de diamante, se miden ambas diagonales de laindentación y se le calcula la media a estos valores, la cual se aplica en la fórmula dearriba con la carga empleada para así determinar el valor de HV. Normalmente, se hacemás conveniente usar las tablas de valores que obtener el valor de HV directamente de lamedida.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 28 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA La inuencia de la carga en el valor de dureza Vickers no se hace explícita en laexpresión, aunque se puede descubrir una evolución de la dureza en relación con la cargaaplicada, por la cual el valor de dureza depende en gran medida del rango de carga. Porconsiguiente, cada medida de dureza debería indicar siempre la carga que se usó en laindentación. A la hora de considerar la dependencia dureza-carga se han propuesto a lolargo del tiempo varios modelos tanto en el caso de materiales másicos como en muestrasrecubiertas.6.5.1. Comparación entre Knoop y Vickers A la hora de comparar indentaciones realizadas con indentadores Knoop o Vickers dediamante con forma de pirámide a una carga dada y con un mismo material a analizar sellega a las siguientes conclusiones: El indentador Vickers penetra casi dos veces más profundo que el indentador Knoop La diagonal de la indentación Vickers es casi 1 3 de la longitud de la diagonal mayor de Knoop La prueba Vickers es menos sensible a las condiciones superciales que la prueba Knoop La prueba Vickers es más sensible a los erroes de medida que la prueba Knoop La prueba Vickers es mejor para pequeñas áreas redondeadas La prueba Knoop es mejor para pequeñas áreas elongadas La prueba Knoop es mejor para materiales frágiles duros y secciones muy nas Figura 19: Detalle de microindentaciones. Existe ahora una tendencia hacia dar las durezas Vickers y Knoop en unidades delSistema Internacional (MPa o GPa) en la literatura cientíca, aunque esto a la larga creamalentendidos, ya que los números de dureza se dan sólo con un número sin unidades,además de los pasos de conversión de kgf a N y de mm2 a m2 .Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZA 296.5.2. Indentación Berkovich [Puntas, 2007] Un indentador Berkovich es una pirámide de diamante de base triangular. Se empleapara medir la dureza de muestras duras y metales. El ángulo formado entre el vértice ydos aristas es de 142,3o con un ángulo mitad de 65,35o , lo que convierte al indentadorBerkovich en una punta muy plana. Es muy utilizada en las pruebas de nanoindentación,centrándose en estudios de la masa de los materiales y de películas delgadas de espesormayor de 100 nm. Se tiene que el radio promedio de curvatura de la punta de un indentadorBerkovich yace entre 100 y 200 nm, por lo que la huella de la indentación es similar a laque dejan los indentadores Vickers. Figura 20: Esquema de un indentador Berkovich. Existe una variante del indentador Berkovich basada en que los ángulos que formanlas aristas son de 90o , consiguiendo la misma forma que el vértice de un cubo. Esto haceque los ángulos sean más agudos y la razón de aspecto mucho mayor, por lo que el radiode curvatura de la punta será muy pequeño (entre 60 y 100 nm). Esta conguración esapta para el estudio de películas muy delgadas, en donde el connamiento del volumendeformado plásticamente es un requerimiento importante.6.6. Escala de dureza Mohs Esta escala dedicada a los minerales se ha usado desde 1822. Simplemente consiste en10 minerales ordenados de 1 a 10. El diamante se clasica como el más duro y se indexaJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 30 6 TIPOS DE PRUEBAS DE DUREZAcomo 10; el talco es el más blando y se indexa con el número 1. Por consiguiente, cadamineral de la escala rayará a todos aquéllos por debajo de la siguiente manera: Figura 21: Escala Mohs de durezas. Los pasos no son de igual valor y la diferencia en dureza entre 9 y 10 es mucho mayorque la que hay entre 1 y 2. La dureza se determina al descubrir cuál de los mineralespatrones puede rayar o no al material a analizar; su dureza entonces yace entre dos puntosde la escala (el primero es el mineral que se raya y el segundo el que no es rayado). Porejemplo, el cobre está entre 2 y 3 y el acero de herramientas entre 7 y 8. Esta prueba esmuy simple, pero no es cuantitativa y los patrones tienen un número arbitrario asignado. Los ingenieros de materiales y los metalúrgicos casi no usan la escala Mohs, aunquees posible subdividir la escala y algunos métodos derivados de ella pueden ser de másutilidad. Se tiene entonces que la prueba de limado es una técnica útil, rápida y portablepara analizar cualitativamente los aceros endurecidos en los que no existen convenios dedureza o son poco prácticos. Las limas entonces se templan para situarlas en un rango dedurezas conocido y seguidamente se emplea el mecanismo de análisis de dureza Mohs.6.7. La prueba de dureza con escleroscopio El escleroscopio consiste en dejar caer un martillo que termina en una punta de dia-mante, la cual cae dentro de un tubo de vidrio bajo la fuerza de su propio peso desde unaaltura ja hacia el material a analizar. La altura del rebote del martillo se mide medianteuna escala graduada. Ésta se elige de manera arbitraria y consiste en unidades Shore,divididas en 100 partes, que representan el rebote promedio de un acero endurecido dealto contenido en carbono. Esta escala puede continuar para valores superiores de 100para incluir así metales de mayor dureza. Una prueba normal con un escleroscopio de Shore no deja marcas en el material. Elescleroscopio mide la dureza en términos de la elasticidad del material y el número dedureza depende de la altura a la que rebota el martillo; cuanto más duro sea el material,más alto llegará. Las ventajas de este método son la portabilidad y la ausencia de marcasen la supercie analizada.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZA 316.8. El durómetro Es un instrumento popular para medir la dureza de indentación de una goma o materi-ales tipo goma. Los análisis más conocidos son el Modelo A, usado para medir materialesmuy blandos y el Modelo D para materiales más duros. La operación del dispositivo es bastante simple. El material se somete a una presióndenida (aplicada por un muelle calibrado) ejercida por un indentador que es un cono oesfera y un dispositivo adecuado mide la profundidad de indentación.7. Estudio experimental de la dureza Para determinar cómo inuye la cementación en el aumento de dureza debemos recurriral proceso denominado microindentación. Las pruebas se realizarán con un IndentadorVickeres piramidal de base cuadrada de la marca SHIMADZU, modelo HMV-2. El ánguloque forman sus caras opuestas es de 𝜃 = 136o . Este indentador será de diamante y se lepueden aplicar diferentes valores de cargas. Este aparato posee un microscopio ópticoincorporado, por lo que gracias a éste podremos medir el valor de las dos diagonales queaparecen en la impronta y obtener el valor de la dureza en unidades Vickers, HV. En nuestros estudios mediremos la dureza de la probeta tanto en la supercie como enla sección transversal. Esto nos ayudará a conocer la dureza de la capa cementada y cómoafecta el carbono a la dureza conforme la profundidad es mayor. La dureza supercialse determina midiendo las dos diagonales que deja la impronta y utilizando cargas de25 gramos. Para medir la dureza en función de la pronfundidad será inevitable cortar laprobeta con una sierra refrigerada (empezando el corte por la parte tratada) e incluirla muestra en baquelita. Tras esto se realizará un pulido (lijas motorizadas de 80 y 400,pulido manual de 600 y 1000 y acabado espejado con paño con alúmina en torno). Unavez preparadas las muestras se le aplicó una carga de 25 g midiendo la profundidad apartir de la capa cementada: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 y 90 𝜇m con la primera carga(realizando también una indentación en el centro).7.1. Dureza del material base Para conocer el valor de la dureza en el material base debemos realizar una indentacióncon el indentador Vickers. Es independiente dónde realicemos la prueba, ya que al noestar tratado debe tener el mismo valor de dureza en cualquier punto que escojamos.Normalmente, estas indentaciones se realizarán en el centro de la probeta cortada. Estoquiere decir que medimos la dureza en una probeta tratada, pero al realizarlo en el centronos aseguramos que no estaremos tocando la parte tratada, por lo que las propiedades delmaterial base no habrán sido alteradas. Realizamos las indentaciones aplicando dos cargas diferentes: 25 y 300 g. Realizaremosuna indentación por cada carga sobre cada una de las seis probetas que estudiamos, porJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 32 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZAlo tanto podemos realizar un valor medio de todos estos datos. Carga (g) Dureza (HV) 25 264 ± 3 300 264 ± 3Según esta tabla, la dureza del acero AISI 316L es la misma, 264 ± 3 HV, independiente-mente de la carga aplicada. Este resultado es correcto al considerar la dureza característicade los aceros inoxidables no tratados y que su valor es independiente a la carga aplicada,ya que todo el entorno está sin tratar, deformándose por tanto de la misma manera.7.2. Dureza de las probetas cementadas C50- Para conocer y determinar la dureza de las probetas cementadas debemos recurrir aluso de un indentador Vickers. Para caracterizar mejor la muestra vamos a realizar pruebasde dureza tanto en la supercie como en el interior de la probeta. En el caso de analizarla supercie utilizaremos una carga de 25 gramos y mediremos las dos diagonales de lapirámide, para que así obtengamos un valor más seguro. Realizaremos doce improntas ycalcularemos su valor medio para intentar eliminar el error introducido por el método demedida, ya que cada impronta depende de muchos factores, tales como la orientación delgrano sobre el que estamos incidiendo y la posibilidad de que la pirámide quede entre dosplanos de deslizamiento o dentro de la misma banda. En este caso vamos a recurrir a ladesviación estándar para indicar el error, ya que no sólo inuye el error de la medida y supropagación al considerar tantas indentaciones, sino que hemos de tener en cuenta la granvariación de dureza en función del grano sobre el que indentemos (el cual, como acabamosde decir, puede que presente planos blandos o duros). La desviación se calcurará a travésde √ √ ∑𝑁 𝑖=1 (¯ 𝑥 − 𝑥𝑖 ) 2 𝜎2 = (1) 𝑁con 𝑁 = 12 el número de indentaciones realizadas y 𝑥 = 𝑁 𝑁 𝑥𝑖 el valor medio del 1 ∑ ¯ 𝑖=1conjunto de medidas. A partir de la desviación estándar conoceremos el error si dividimos √el resultado obtenido por 12. Una vez conocida la dureza de cada sesión es posiblecompararla con la que posee el material base, por lo que usaremos la variación porcentualrestando ambos valores de dureza dividiendo este resultado por el dato del acero base ymultiplicando por cien. Con todo esto tendremos que el valor de dureza para el conjuntode las C50- es: Probeta Dureza (HV) Porcentaje ( %) C50-030 660 ± 30 150 C50-060 840 ± 30 218,18 C50-120 490 ± 30 85,61Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZA 33 Podemos observar que todas las probetas son más duras en la superice que el ma-terial base, cuyo valor es de 264 ± 3 HV, por lo que podemos conrmar que el procesode cementación provoca una mayor dureza en la zona de la capa cementada. En cuantoal análisis entre sí de las probetas vemos que las dos primeras obedecen a un aumentode dureza conforme aumenta el tiempo de tratamiento, por lo que una mayor cantidadde carbono en el acero hace que aumente el valor de dureza, ya que va ocupando inter-sticios y provoca una expansión de la austenita, cuya propiedad principal es que otorgamayor dureza al material. Sin embargo, para la sesión C50-120 tenemos que disminuyedrásticamente su valor de dureza. Esto tiene que estar motivado por un fallo en el procesoexperimental de cementación. Seguidamente, vamos a intentar conocer el valor de la dureza de las probetas cemen-tadas dentro de sí mismas. Así podremos conocer la dureza con la profundidad y analizarhasta dónde llegó el carbono en su difusión. Recurrimos a una carga de 25 g y tendremosque cortar inexorablemente la probeta para conocer los valores de dureza transversales.Mediremos a 10 𝜇m más profundo que la capa cementada, realizando el mismo procesocada 10 hasta llegar a los 90. Realizaremos doce mediciones para calcular el error a partirde la desviación estándar.Figura 22: Perl de durezas más allá de la capa cementada de las sesiones C50-. Los pasosde profundidad se hicieron cada 10 micrómetros usando una carga de 25 gramos. Es fácilmente observable que la dureza en las tres sesiones fue superior al valor del ma-terial base, por lo que se puede indicar que el carbono difundió hasta estas profundidadesy propició un aumento de dureza. Sin embargo, podemos distinguir la capa cementada,así que esta región no está ocupada por austenita expandida: la cantidad de carbono quellegó a estas profundidades no fue la suciente como para llegar a distorsionar la red. Sepuede ver que el valor de dureza va disminuyendo conforme el tiempo de tratamiento quesoportó cada probeta. Es igualmente destacable ver que el comportamiento de durezas nosigue un decaimiento exponencial, sino que se puede observar que los puntos y sus barrasJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 34 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZAde error sugieren un valor de dureza constante; entonces no se cumple la ley de Fick dela difusión del C a estas profundidades. Esto puede estar ocasionado por la presencia decarburos o por la estructura del acero en granos, factores que podrían modicar el procesode difusión. Por último, se repitieron las pruebas de dureza aplicando una carga de 300 gramos yllegando a una profundidad mucho mayor. Esto se hizo para comprobar si la difusión delcarbono en el interior de la estructura austenítica fue constante en todo momento o siexiste una zona en donde empieza a escasear. Figura 23: Perl de durezas con la profundidad aplicando una carga de 300 g. En la imagen se observa claramente que los valores de dureza caen estrepitosamentehasta el valor del material base más allá de los 800 𝜇m de profundidad. Esto indica sinasomo de dudas que la difusión del carbono sólo llegó hasta esta profundidad. Entrela interfase de la capa cementada y la profundidad de 0,5 mm se puede observar quela dureza es casi constante, lo que hace ver que la concentración de C es abundante ycasi en la misma cantidad, dando así un valor de dureza análogo en este intervalo deprofundidad. Tras esto, se constata una caida del valor de dureza hasta llegar a los 0,8mm de profundidad y de ahí la caida llega hasta el valor del material base. Estos datospueden indicarnos que a gran escala se cumple la Ley de Fick de la difusión.7.3. Dureza de las probetas cementadas C80- Usaremos para saber la dureza en la supercie una carga de 25 g y mediremos las dosdiagonales de la impronta para tener un valor certero. A causa de poder encontrar indenta-ciones en granos con orientación (y por lo tanto dureza) distinta repetiremos el procesouna doce veces para calcular así un valor medio más preciso. Elegimos 25 gramos por seruna carga adecuada, puesto que para menores cargas podríamos entrar en una banda deTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZA 35deslizamiento de las que quedan y dar valores muy dispares entre sí y si hubiésemos elegi-do una carga mayor podríamos haber atravesado la capa cementada en cada indentacióny el valor de dureza que nos saldría sería una media entre el valor del material base y elmaterial cementado. Como el acero inoxidable sin tratar posee una dureza de 264 ± 3 HVconoceremos el aumento de dureza porcentual de una manera inmediata (restando valoresdividiendo por 264 y multiplicando por 100). En la siguiente tabla escribimos los valoresde dureza de cada sesión C80-: Probeta Dureza (HV) Porcentaje ( %) C80-030 900 ± 20 240,91 C80-060 510 ± 40 93,18 C80-120 1108 ± 30 319,7 Se ve claramente que la dureza aumenta con el tiempo de tratamiento, por lo quela cantidad de carbono juega un papel importante, es decir, éste logra la expansión dela austenita y por tanto se mejora la dureza y mientras más expansión más dureza. Elproblema aparece en la sesión C80-060 que no presenta esta tendencia. Esto puede estarcausado por algún fallo en el proceso de cementación. Respecto al material base, todaslas sesiones presentan mejoras en dureza, conrmando la bondad de la cementación a lahora de crear supercies duras. Para completar el estudio de dureza sobre nuestras probetas cementadas también serealizaron cálculos de dureza según la profundidad. Para ello, tuvimos que cortar lasprobetas, por lo que tratamos con un método destructivo. Utilizamos también una cargade 25 gramos y partimos a los 10 𝜇m desde la capa cementada para realizar una improntacada diez micrómetros hasta llegar a los 90. Se realizaron 12 improntas por cada nivel deprofundidad para tener un error obtenido mediante desviación estándar. Figura 24: Perl de durezas de las probetas C50- usando una carga de 25 g. Los resultados que podemos observar muestran claramente que la dureza es mayor quela del material base, por lo que podemos indicar que el carbono se ha difundido hasta estasJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 36 7 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DUREZAprofundidades, aunque no la cantidad necesaria como para formar austenita expandida.Se puede observar cómo el valor de dureza va disminuyendo conforme aumentó el tiempode tratamiento. Así la C80-030 es más dura en la profundidad de la muestra que la C80-060, y ésta es más dura que la C80-120. Además, se puede observar que los valores dedureza con la profundidad no obedecen un decaimiento exponencial, tal y como deberíaser si se obedeciese la ley de Fick, luego armamos que dentro del acero se dan otrosmecanismos de difusión diferentes a la ley de Fick, ya sea por la presencia de carburos opor la estructura de granos del acero, dando el aspecto de un valor de dureza constantecon la profundidad. Sin embargo, usando una carga de 300 gramos y realizando indentaciones con la profun-didad en la probeta C80-030 podemos ver que a gran escala sí se produce un decaimientoexponencial hacia el valor de dureza del material base, aunque es cierto que hasta los 800𝜇m se detectan valores constantes de dureza (o alrededor de un valor constante), por loque podemos asegurar que la difusión del carbono tiene lugar de manera uniforme hastaesta profundidad, siguiendo posteriormente un comportamiento indicado por la Ley deFick. Figura 25: Perl de durezas con la profundidad aplicando una carga de 300 g.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 8 NANOINDENTACIÓN 37Parte IVPropiedades mecánicas8. Nanoindentación [Carvalho, 2001] Últimamente ha existido un gran esfuerzo dedicado al desarrollo de técnicas de carac-terización de las propiedades mecánicas de películas delgadas y pequeños volúmenes dematerial. La indentación que registra la carga y la profundidad, la denominada nanoin-dentación, es el método por el que se puede llegar a atisbar estos valores. Sin embargo,las propiedades que se pueden estudiar mediante esta técnica dependen de la geometríadel indentador. En general las pirámides triangulares de Berkovich (al ser aladas y degeometría conocida) son las más utilizadas a la hora de determinar propiedades en laescala más pequeña posible. Generalmente, los indentadores Berkovich son más utilizadosque los Vickers a la hora de medir la dureza, ya que es más rápido poner la muestra encontacto con un vértice que con una línea, que es lo que ocurre con la geometría Vickers.Es más, con Berkovich no se detectan grandes imperfecciones y posee una gran facilidad decalibración. Por consiguiente, la relación fuerza-área puede calcularse con gran abilidada cargas muy bajas.Figura 26: Curva de dureza Vickers obtenida según la carga empleada en donde se com-prueba que para cargas muy bajas los resultados son muy dispares, algo que no ocurre aelevadas cargas. Normalmente se miden la dureza y el módulo elástico mediante los indentadoresBerkovich, aunque también se puede determinar la fricción interna y la sensibilidad de latasa de esfuerzos. Siempre y cuando se pueda controlar la temperatura de la muestra, seJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 38 9 MODELO PARA DETERMINAR LA DUREZA Y EL MÓDULO ELÁSTICOpueden conocer los parámetros característicos del ujo plástico activado térmicamente,tales como la energía de activación y el exponente de tensión para el arrastre. Por otra parte, mediante indentadores Vickers o con geometría de esquina de un cubose hace posible la realización de indentaciones sobre materiales frágiles a una carga su-cientemente alta para producir fracturas radiales que se propagan desde los bordes delcontacto. Este método permite explorar la resistencia a la fractura y el estado de las ten-siones superciales en la escala submicrométrica de pequeños volúmenes de material. Sinembargo, en algunos casos el indentador Vickers no es apropiado para la correcta determi-nación de la resistencia a la fractura. Veprˇk demostró para nanocompuestos superduros eque debido a su alta elasticidad y su gran resistencia, sólo se forman fracturas circularesen vez de radiales, incluso cuando la profundidad de indentación se hace mayor que elespesor del recubrimiento. Los indentadores esféricos también se emplean cotidianamente en el caso de cargasultra bajas. El principal benecio de éstos es que el contacto durante la indentación sehace homogéneamente y comienza con un fenómeno elástico, el cual cambia a elastoplás-tico a cargas mayores, por lo que permite investigar entonces el rendimiento y fenómenosasociados. Pero en algunas situaciones es difícil identicar de manera experimental elrendimiento inicial debido a que el inicio del comportamiento plástico queda muy de-bajo de la supercie. En principio, con esta técnica, también es posible determinar laspropiedades mecánicas tales como el módulo elástico, el rendimiento de tensión y el com-portamiento de endurecimiento por esfuerzos de un material. La mayor desventaja de estosindentadores esféricos es la dicultad de obtener geometrías esféricas precisas con radiosmenores de 50 𝜇m en materiales duros, como el diamante. Ya que la mayoría de métodossuponen que existe una geometría esférica perfecta, obtendremos en algunos casos unagran incertidumbre asociada al valor conseguido.9. Modelo para determinar la dureza y el módulo elás- tico [Carvalho, 2001] Para determinar la dureza y las propiedades elásticas de un material se utilizan técnicasde indentación basadas en la carga y la profundidad. Una de las ventajas más importantesde estos métodos es que no se necesita medir el área de la impresión que deja la pruebade dureza mediante técnicas ópticas, por lo que se facilitan los análisis a una escalasubmicrométrica. El área de contacto y las propiedades mecánicas están determinadasmediante los datos de un ciclo completo de carga y descarga. Los datos de descarga setratan suponiendo que el desplazamiento de la recuperación se debe a efectos elásticos. Porconsiguiente, la dureza y el módulo de Young se pueden obtener resolviendo el problemade contacto elástico.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 9 MODELO PARA DETERMINAR LA DUREZA Y EL MÓDULO ELÁSTICO 39 Los fundamentos matemáticos del problema de contacto mediante indentación de unasemiesfera elástica mediante una punta rígida fueron desarrollados por Boussinesq y Hertz.El primero publicó una solución para el problema del contacto de un cuerpo elástico me-diante un indentador rígido y de simetría axial. Posteriormente, Love utilizó este métodopara obtener soluciones para indentadores cilíndricos y cónicos. Por otro lado, Hertz de-sarrolló un método para analizar el contacto elástico entre dos supercies esféricas conradios y constantes elásticas dispares. Estos resultados fueron el comienzo del campo dela mecánica del contacto y presentan una manera por la que se pueden incluir en losanálisis los efectos de los indentadores no rígidos. Sin embargo, la solución del problemadel contacto no se obtuvo hasta 1945 gracias a Sneddon, que estableció un procedimien-to analítico para encontrar las relaciones existentes entre carga, desplazamiento y áreade contacto para un indentador de forma arbitraria pero con simetría axial. El resultadomuestra que las relaciones carga-desplazamiento para una geometría simple del indentadorse expresa como 𝑃 = 𝛼ℎ𝑚donde 𝑃 es la carga del indentador; ℎ es el desplazamiento elástico total del indentador;𝑚 es 1, 1,5 y 2 para un indentador cilíndrico, paraboloide y cónico, respectivamente,y 𝛼 es una constante. Stillwell y Tabor llevaron a cabo los primeros experimentos enlos que las indentaciones sensibles a la carga y el desplazamiento mediante indentadorescónicos sirvieron para obtener las propiedades mecánicas. Las pruebas revelaron que trasla descarga la forma de la impresión de dureza aún era cónica y sólo se recuperaba enprofundidad lo que resultaba en un ángulo de punta mayor. Por lo tanto, las solucionespara un contacto elástico podrían aplicarse y tomar en cuante la plasticidad, por lo quese consideraría entonces la forma de la supercie deformada. Con estos resultados, sedemostró que el módulo elástico y el tamaño de la impresión por contacto se puedenderivar con exactitud a partir de la forma de la curva de descarga y de la cantidad totalde desplazamiento de la recuperación. Otro importante desarrollo fue la denición de módulo reducido, el cual incluye losefectos de indentadores no rígidos sobre la conducta de carga-desplazamiento a partir dela ecuación 1 1 − 𝜈 2 1 − 𝜈𝑖2 = + 𝐸𝑟 𝐸 𝐸𝑖donde 𝐸 y 𝜈 son el módulo de Young y la razón de Poisson de la muestra, respectivamente,y 𝐸𝑖 y 𝜈𝑖 son las correspondientes valores del indentador. Los primeros experimentosdedicados a la obtención de los datos carga-desplazamiento que se usaron para determinarel módulo elástico fueron realizados por Bulychev usando un aparato de prueba paramicrodureza. Los datos se analizaron de acuerdo a la ecuación 𝑑𝑃 2 √ 𝑆= = √ 𝐸𝑟 𝐴 (2) 𝑑ℎ 𝜋Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 40 9 MODELO PARA DETERMINAR LA DUREZA Y EL MÓDULO ELÁSTICOdonde 𝑆 es la rigidez del contacto entre el indentador y la muestra, es decir, la pendientede la porción superior de los datos de descarga, y 𝐴 es el área proyectada del contactoelástico medido mediante la impresión de dureza por indentación. Esta ecuación tienesus orígenes en la teoría de contacto elástico. Aunque fue originalmente derivada para unindentador cónico, Bulychev demostró que la ecuación se podría aplicar para indentadoresesféricos y cilíndricos. Tras esto, Pharr demostró que la ecuación se aplica para cualquierindentador que se pueda describir como un cuerpo de revolución de una función suave.Es más, King usó un método de elementos nitos, demostrando que la ecuación podíareescribirse como √ 2 𝑆 = √ 𝛽𝐸𝑟 𝐴 (3) 𝜋que puede aplicarse a geometrías de indentador que no se describen mediante cuerposde revolución, tales como indentadores de extremo plano con secciones transversalescuadradas (tipo Vickers) o triangulares (tipo Berkovich), con 𝛽 igual a 1,012 y 1,034,respectivamente. A nales de los 80 Doerner y Nix presentaron un método para determinar la dureza y elmódulo a partir de los datos de carga-desplazamiento usando la ecuación (2). Reconocieronque para la mayoría de los metales, durante la descarga inicial el área en contacto conel indentador permanecía constante. De acuerdo a esto, el comportamiento elástico sepuede modelar como un indentador despuntado sobre el área de contacto de un sólidoelástico. Para evaluar de manera independiente el área de contacto, los autores propusieronextrapolar la parte inicial de la curva de descarga con carga cero y determinar entoncesla profundidad extrapolada. Conociendo entonces el área de contacto, la dureza 𝐻, quees equivalente a la presión media bajo el indentador, se calcula a partir de 𝑃 𝑚𝑎𝑥 𝐻= 𝐴en donde 𝑃 𝑚𝑎𝑥 es la carga máxima. Actualmente, existe un acuerdo uniforme en que típicamente la curva de descargase desvía de una línea recta, especialmente para materiales cerámicos duros como losrecubrimientos basados en Ti. Para éstos, la pendiente de la curva de descarga y conse-cuentemente el área proyectada del contacto elástico decrecen continuamente durante ladescarga debido a la recuperación elástica con la indentación. Oliver y Pharr desarrollaron un procedimiento que considera la recuperación elásticamediante una expansión de las suposiciones desarrolladas por Loubet y Doerner y Nix,pero sin asumir una geometría plana del indentador. El método expresa de una man-era más general la relación carga-desplazamiento derivada por Sneddon para materialespuramente elásticos 𝑃 = 𝛼 (ℎ − ℎ𝑓 )𝑚donde el desplazamiento total se modica para la impresión del indentador, siendo ℎ𝑓 eldesplazamiento nal tras la descarga completa y 𝛼 y 𝑚 son constantes. Una desventajaTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 9 MODELO PARA DETERMINAR LA DUREZA Y EL MÓDULO ELÁSTICO 41del análisis propuesto por Oliver y Pharr es que se sugiere una relación de ley de poten-cias y no considera ninguna plasticidad residual presente en un material elastoplástico.Reordenando entonces (3) se llega a que √ 1 𝜋 𝑆 𝐸𝑟 = √ 𝛽 2 𝐴que relaciona el módulo reducido 𝐸𝑟 con el área de contacto 𝐴 y la rigidez medida 𝑆.Entonces, la curva de descarga se ajusta a la relación de ley de potencias de la ecuaciónde Oliver y Pharr, donde 𝛼, 𝑚 y ℎ𝑓 son parámetros de ajuste determinados empíricamente.La rigidez de descarga se obtiene por tanto al diferenciar la relación carga-desplazamientoen la profundidad máxima de indentación, ℎ = ℎ𝑚𝑎𝑥 , dando ) 𝑑𝑃 𝑆= = 𝑚𝛼 (ℎ𝑚𝑎𝑥 − ℎ𝑓 )𝑚−1 𝑑ℎ ℎ=ℎ𝑚𝑎𝑥La profundidad a la cual se realiza el contacto entre el indentador y la muestra, de-nominada profundidad de contacto ℎ𝑐 , se estima también a partir de los datos de carga-desplazamiento a través de 𝑃𝑚𝑎𝑥 ℎ𝑐 = ℎ𝑚𝑎𝑥 − 𝜀 𝑆que depende de la geometría del indentador, siendo 𝜀 = 0,72 para un indentador cónico,𝜀 = 0,75 para una punta Berkovich y 𝜀 = 1 para un indentador plano.Figura 27: Representación de la deformación durante la indentación: a) El indentadorpresiona la muestra con toda la carga disponible; b) Descarga con una zona de contactomenor. El área sombreada representa la zona deformada plásticamente. La función del área del indentador 𝐴 se calcula mediante la curva de descarga yse basa en la suposición de que el módulo elástico es independiente de la profundidadde penetración, y que la conformidad de la muestra 𝐶𝑆 y la conformidad adicional deldispositivo 𝐶𝑓 se pueden modelizar como un sistema de dos muelles en serie. Tomando laconformidad de la muestra durante el contacto elástico como la inversa de la rigidez decontacto, el área de contacto se puede escribir como 2 𝜋 1 1 𝐴= 2 4 𝐸𝑟 (𝐶 − 𝐶𝑓 )Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 42 9 MODELO PARA DETERMINAR LA DUREZA Y EL MÓDULO ELÁSTICOdonde 𝐶 es la conformidad total medida: 𝐶 = 𝐶𝑆 + 𝐶𝑓 . La primera estimación del áreade contacto se realiza para grandes indentaciones al aplicar la función de la forma delindentador para un indentador Berkovich perfecto a la profundidad de contacto, lo queda √ 𝐴(ℎ𝑐 ) = 3 3ℎ2 tan2 𝜃 = 24,56ℎ2 𝑐 𝑐donde 𝜃 es la mitad del ángulo de inclusión del indentador: 65,3o . Suponiendo que lasgrandes indentaciones no se afectan por el redondeo de la punta, los valores inicialesdel módulo elástico y la conformidad del dispositivo se obtienen al representar 𝐶 ↔𝐴− 2 , donde si el módulo es constante, la representación es lineal y el intercepto es una 1medida directa de 𝐶𝑓 . Sin embargo, para indentadores Berkovich reales la función formaes demasiado compleja por el redondeo de la punta. Por lo tanto, el área de contacto sepuede calcular para diferentes profundidades de indentación en un material bien conocido,propiedades elásticas isotrópicas (normalmente cuarzo fundido) y representados contra lasprofundidades de contacto correspondientes. El gráco resultante se ajusta a un polinomiode noveno orden y los nuevos valores de la conformidad del dispositivo son entoncescalculados usando la función de área obtenida y el procedimiento se repite hasta conseguirla convergencia deduciendo entonces la función de la forma. Por consiguente, el área decontacto se puede determinar de los datos de carga-desplazamiento y la dureza y el móduloreducido son calculados por sus ecuaciones correspondientes.Figura 28: Representación esquemática de a) Sección transversal de una indentación y b)gráca carga-desplazamiento en donde se muestran las cantidades usadas para los análisisy la interpretación gráca de la profundidad de contacto.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 10 ESTUDIO DE NANODUREZA 4310. Estudio de nanodureza10.1. Análisis de la muestra C50-03010.1.1. Pruebas transversales Las nanoindentaciones transversales se aplicaron para determinar el valor de la durezay del módulo elástico con la profundidad, determinando de este modo el espesor de la capacementada. Se realizan 25 indentaciones desde la supercie hasta la masa de la probeta. Como primer paso, la probeta se cortó y se embebió en resina conductora. Posteri-ormente, se lleva a cabo un pulido hasta conseguir un acabado espejado. Con todo esto,justamente antes del análisis, se procede a una limpieza en alcohol mediante baño ultra-sónico y un secado de tres minutos bajo una lámpara infrarroja. Figura 29: Perl de dureza. Figura 30: Perl del módulo de indentación (𝜈 = 0,3). La observación de las grácas indica que el espesor de la capa es de casi 18 𝜇m, creandouna diferencia con los 14 𝜇m observados mediante microscopía óptica. Esto puede deberseJavier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 44 10 ESTUDIO DE NANODUREZAa que el criterio de dureza crítica no se ajuste a lo observado, debido a que justo debajo dela capa cementada existe gran cantidad de carbono en disolución, suciente para aumentarla dureza pero no para crear austenita expandida. La máxima dureza determinada se encuentra a 7,7 𝜇m de profundidad, alcanzandoun valor de 7,5 GPa. Además, los valores de dureza cercanos a la supercie no se tomanen cuenta debido a los efectos de redondeo del borde tras el pulido, fenómeno que puedeanalizarse con la simple observación de las indentaciones mediante microscopio óptico. Los experimentos demuestran que no se da variación de módulo elástico en toda lamuestra, por lo que el valor es constante desde la supercie hasta la masa. Esto es unindicio para considerar la autenita expandida como una simple deformación de la faseaustenítica y por tanto no es una fase nueva y diferente. Sin embargo, puede detectarsecierta sobreestimación del módulo elástico, ya que las observaciones mediante microscopioóptico desvelan fenómenos de apilamiento tras las indentaciones, lo que introduce un erroren los cálculos llevados a cabo mediante el método de OliverPharr.10.1.2. Pruebas superciales El objetivo de estas nanoindentaciones se centra en el cálculo de la dureza en lasupercie. Como primer paso, la probeta debe limpiarse con alcohol en un baño conultrasonidos y secada con una lámpara infrarrojal. Figura 31: Indentación en el plano: datos de carga-profundidad.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 10 ESTUDIO DE NANODUREZA 45Figura 32: Curva dureza-profundidad tras la evaluación estadística de los datos obtenidos. Como se comprueba en las grácas la dureza máxima es de 11,8 GPa, que correspondecon la dureza supercial de la capa modicada. Además, los datos conables son todosaquéllos que tienen una profundidad de penetración menor a los 100 nm, ya que superandoeste valor se hace muy esperable el redondeo de la punta del indentador.10.2. Análisis de la muestra C80-03010.2.1. Pruebas transversales Tras cortar la probeta, embeberla en resina y pulirla se realiza una limpieza con alcoholen un baño ultrasónico y se seca con lámpara infrarroja. Tras esto es posible analizar laprobeta de manera transversal, tomando 25 indentaciones desde la supercie hasta lamasa. Figura 33: Perl de dureza.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 46 10 ESTUDIO DE NANODUREZA Figura 34: Perl del módulo de indentación (𝜈 = 0,3). El perl de dureza muestra que el espesor de la capa cementada es de 15 𝜇m, lo quevuelve a estar en desacuerdo con los resultados obtenidos mediante microscopía óptica(17 𝜇m), ya que puede existir un desacuerdo entre la capa y el convenio de dureza crítica.Además, se tiene que la máxima dureza detectada se da a 4,9 𝜇m y el valor es de 8,85GPa. Se tiene que mencionar que las indentaciones cercanas a la supercie no se puedentener en cuenta debido a los efectos de redondeo que se dan a causa del pulido. No se observa variación del módulo elástico en la región comprendida entre la superciey la masa del acero. Sin embargo, el apilamiento formado por las indentaciones afecta alos cálculos del método OliverPharr, por lo que los resultados están sobreestimados.10.2.2. Pruebas superciales Para investigar la dureza supercial la probeta debe limpiarse en alcohol con un bañoultrasónico y secarse durante tres minutos con una lámpara infrarroja. Figura 35: Perl carga-profundidad.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 10 ESTUDIO DE NANODUREZA 47Figura 36: Curva dureza-profundidad tras los cálculos estadísticos de los datos medidos. Los análisis de las grácas indican que la dureza máxima es de 11,0 GPa, por lo quese considera a este valor como la dureza de la capa cementada. Se excluyen los datos cuyaindentación penetre más de 100 nm, a causa del redondeo de la punta.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 48 11 TIPOS DE CORROSIÓNParte VCorrosión11. Tipos de corrosión [Corrosión] [Procesos]11.1. Corrosión generalizada Es el proceso corrosivo más común entre la mayoría de los metales y aleaciones, aunqueno se da tanto en el caso de los aceros inoxidables. Este proceso aparece al usar ácidosminerales que eliminan incrustaciones salinas. Un ejemplo se tiene en el caso de HCl yH2 SO4 que provocan el deterioro supercial y generalizado a muy bajas concentraciones,conllevando la destrucción del acero AISI 304, pero no la del acero AISI 316 por contenermolibdeno en su estructura.11.2. Corrosión por grietas o suras Figura 37: Análisis mediante microscopio óptico de una corrosión por grietas. Se caracteriza este fenómeno por un intenso ataque localizado en grietas expuestas aagentes corrosivos, tales como los compuestos clorados. Este proceso se asocia normal-mente al estancamiento de pequeños volúmenes de solución causados por perforaciones,juntas, defectos en la supercie y grietas en elementos de sujeción. El fenómeno de corrosión es un proceso electrolítico donde se produce la migraciónde material metálico en presencia de una solución, denomidada electrolito . En el procesocorrosivo los metales actúan como ánodo, mientras que el medio electrolítico actúa comocátodo, desencadenando un proceso electrolítico que lleva asociado la corrosión. Duranteel intercambio de iones metálicos la red cristalina se carga negativamente y el eletrolitode manera positiva, creando así una diferencia de potencial que da lugar a que los ionesse depositen en el electrolito.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 11 TIPOS DE CORROSIÓN 49 El mecanismo básico de corrosión por grietas considera un metal M en contacto conuna solución salina, en presencia de oxígeno. El proceso conlleva la disolución del metalM y la reducción de iones de oxígeno e hidrógeno. Oxidación M → M+ + 𝑒 Reducción O2 + 2H2 O +4𝑒 → 4OH− Inicialmente, la reacción ocurre de manera uniforme sobre toda la supercie, incluyen-do el interior de las grietas. Cada electrón producido durante la formación del ión metálicoes inmediatamente consumido por el oxígeno mediante una reacción de reducción. Por otrolado, por cada ión metálico que ingresa a la solución se produce un ión de hidroxilo. De-spués de un corto tiempo, el oxígeno presente en la grieta formada se agota, entoncesla reducción del oxígeno se detiene. Esto por sí solo no cambia el comportamiento delproceso corrosivo, ya que el área dentro de la grieta es muy pequeña respecto al áreatotal expuesta, lo que quiere decir que el proceso de corrosión se sigue desarrollando connormalidad. El agotamiento del oxígeno tiene una inuencia indirecta muy importante, la cual au-menta proporcionalmente al tiempo de exposición del metal con el electrolito. Despuésdel agotamiento del oxígeno se detienen las reacciones de reducción, aunque sigue dis-olviéndose el metal M. Esta situación tiende a producir un exceso de carga positiva en lasolución, la cual es necesaria equilibrar con la migración de iones de cloro a la grieta. Estoda como resultado el aumento de concentración de metal clorado en esta zona: M+ Cl− +H2 O = MOH + H+ Cl− . Esta ecuación muestra una solución acuosa típica donde el metalclorado se disocia en un hidróxido insoluble, por lo que aumenta la tasa de disolución delmetal M. Este aumento eleva la migración y da como resultado un proceso acelerado oautocatalítico. Las razones de este proceso aún no están totalmente claricadas. Para queeste tipo de corrosión por suras ocurra deben existir iones de cloro en las inmediacionesy que exista oxígeno disuelto en el electrolito, ya que este compuesto es indispensable parala ocurrencia de las reacciones catódicas.11.3. Corrosión por picaduras Figura 38: Estudio de la corrosión generada por picaduras.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 50 11 TIPOS DE CORROSIÓN Es la disolución localizada y acelerada de un metal como resultado de la ruptura de lapelícula de óxido. Muchas aleaciones, tales como el acero inoxidable, producen en formaespontánea una película de pasivado de óxido, reduciendo por tanto la corrosión. Sinembargo, estas películas son propensas a la ruptura localizada lo que da como resultadouna acelerada disolución del metal; por tanto, si el ataque se inicia en una supercieabierta se dará la corrosión por picaduras. Este tipo de corrosión puede producir fallasestructurales en componentes por perforación y por debilitamiento. La corrosión por picaduras se desarrolla sólo en presencia de especies aniónicas agresi-vas e iones de cloro, aunque estos factores no son los únicos. La severidad de las picadurastiende a variar logarítmicamente con la concentración de cloro. Éste es un anión de unácido fuerte y muchos cationes metálicos muestran considerable solubilidad en solucionescon cloro. Este compuesto es un anión relativamente pequeño y de alta difusividad, lo queinterere en la pasivación natural. Las picaduras se consideran como provocadas mediante un proceso autocatalítico;una vez que la perforación empieza a crecer, las condiciones desarrolladas son tales quepromueven el crecimiento de la perforación. Las reacciones catódicas y anódicas que com-prenden la corrosión están separadas espacialmente durante este proceso corrosivo. Elmedio inmediato a la perforación tiende a agotar los reactivos catódicos (oxígeno), locual permite que las reacciones catódicas se desarrollen en otras partes de la supercedel metal expuesto, donde hay mayor concentración de reactivos. En la zona cercana a laperforación comienza a aumentar la concentración de cationes metálicos y especies anióni-cas como el cloro, el cual emigra por campos eléctricos hacia la perforación, manteniendola neutralidad de la carga por el balance con las cargas asociadas a la concentración delcatión. El pH en la picadura es bajo, debido a la hidrólisis del catión y la ausencia dereacciones catódicas locales. El ácido clohídrico generado es muy agresivo para casi todoslos metales y por lo tanto se propagan las picaduras: M2+ +2H2 O = M(OH)+ + H+ + H2 O= M(OH)2 +2H+ . Las perforaciones a menudo crecen bajo la supercie del metal, ya que los poros normal-mente están cubiertos. Esta situación puede hacer muy difícil la detección visual, obviandoel conocimiento de la severidad del ataque y por tanto creando una alta probabilidad deque ocurra una falla catastróca. La cubierta de la perforación pueden ser precipitacionesderivadas de las reacciones de hidrólisis y partículas que formaron la película pasivante.Dichas cubiertas son reectantes y tienden a confundirse con el material base, empeoran-do aún más la posibilidad de detectar las picaduras de manera visual. En cambio, si seagita el metal ultrasónicamente pueden revelarse las perforaciones. Una vez destruida la película pasivante y comenzada la corrosión por picaduras, em-piezan a darse las condiciones para que las perforaciones estables vuelvan a crecer. Sinembargo, los procesos que desencadenan la ruptura de la película pasivante siguen siendodesconocidos. Una teoría propuesta indica que los mecanismos de penetración que inicianla picadura involucran el transporte de aniones agresivos a través de la película pasivantehacia la interfase metal/óxido. Esta migración aniónica puede ser asistida por el campoTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 11 TIPOS DE CORROSIÓN 51eléctrico existente en la película, además que los mecanismos de penetración se basan enla existencia de un tiempo de inducción para que el cloro se transforme en electrolito.Otras teorías se basan en que la película pasivante es muy delgada y que se rompe yrepara de manera continua. Por consiguiente, la tensión mecánica en supercies débiles ocon imperfecciones y la tensión supercial pueden generar la ruptura de la película. En cuanto al crecimiento de la picadura se observa una dependencia con la composicióndel material, con la concentración del electrolito y el potencial eléctrico. El fenómeno detransferencia de masa (característica de las picaduras) inuye en la cinética de crecimiento,a través de la concentración de electrolitos en la perforación. La estabilidad de este procesodepende de que se mantenga la cantidad de electrolito y de que el potencial en el fondo dela perforación sea lo sucientemente alto para evitar la regeneración de la capa pasivante.11.4. Corrosión bajo tensión Figura 39: Imagen del proceso de corrosión mediante la presencia de una tensión. Ésta es otro tipo de corrosión localizada y se reconoce por la presencia de fracturas dela estructura metálica. La morfología de este tipo de corrosión es muy característica. Enla supercie del metal se producen suras muy pequeñas de forma ramicada y en unacantidad que está en relación directa con la concentración del medio corrosivo y el nivelde tensiones del metal. Cuando en los aceros quedan tensiones residuales o se crean éstas por efecto de esfuer-zos exteriores (como tracción, deformaciones en frío, soldaduras, etc.) y se someten a unambiente corrosivo especialmente clorado, se producen pequeñas suras, dando origen aeste tipo de corrosión. Estas grietas generalmente son trasngranulares o intergranulares. Ya se indicó que existen formas de corrosión dependientes de la cantidad de molibdenodel metal, pero en este caso no se verica. Si bien de manera teórica todos los acerosinoxidables muestran una susceptibilidad similar, esto no se da en términos prácticos.Cuando el acero sufre corrosión por picaduras se tiene que inevitablemente aparece unpunto de tensión mecánica, por lo que un material de alta susceptibilidad a las picadurastambién lo será a la corrosión por tensiones, ya que el ambiente en el cual se producela corrosión por picaduras y por tensiones es el mismo. Por ejemplo, en soluciones concloro, el AISI 304 presenta mayor susceptibilidad a ambos tipos de corrosión y el AISI316 presenta menos por tanto.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 52 12 ANÁLISIS DE LAS PROBETAS11.5. Corrosión intergranular Figura 40: Imagen del proceso de corrosión intergranular. Los aceros inoxidables austeníticos (como el AISI 304) contienen un porcentaje im-portante de carbono, que está en estado sólido a temperatura ambiente, por lo que desdeel punto de vista termodinámico el acero inoxidable es estable, ya que puede coexistirla solución sólida en fase austenítica del carbono con el carburo de cromo. Sin embar-go, cuando el metal se somete a un tratamiento térmico sobre los 1000o C y un posteriortemplado, el carburo de cromo se descompone, pasando a la solución austenítica. Esto dacomo resultado una estructura uniforme de la solución en dicha fase, lo que le da al aceroexcelentes propiedades. Cuando el acero es sometido a tratamientos térmicos mal realizados, calentamientos yenfriamientos defectuosos o calentamientos excesivos sufridos por la soldadura, los átomosde carbono tienden a precipitar en la frontera reticular como carburos de cromo. Estasituación hace que la concentración de carburo sea mayor en la frontera reticular que enzonas contiguas a los mismos, lo que genera una difusión en el material entre una zona yotra. Esto provoca la disminución de la resistencia a la corrosión, fenómeno denominadosensibilización . La sensibilización hace que el acero inoxidable quede expuesto a la corrosión intergran-ular cuando está en ambientes corrosivos. En algunos casos también reduce la resistenciaa los fenómenos de corrosión por picaduras o grietas y en otros la corrosión bajo tensión.12. Análisis de las probetas Realizamos este estudio colocando las seis probetas diferentes en un recipiente deplástico. Se les aplicó un esmalte en la base y en los laterales para que la solución sóloatacase a la supercie cementada. También se colocó en el recipiente una probeta delmaterial base sin tratar, a efectos comparativos, ya que se conoce que el acero inoxidableposee excelentes propiedades anticorrosivas. Una vez colocadas las probetas, separadasentre sí, se llenó el recipiente con un litro de agua, en la que previamente se habíandisuelto 10 g de sal común. Se le puso una tapa al recipiente y se selló con cinta adhesivapara evitar la posible evaporación del agua. Periódicamente controlamos el nivel del aguapara asegurarnos que la solución seguía siendo la de partida. Todo el conjunto se colocóTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 12 ANÁLISIS DE LAS PROBETAS 53en un lugar apartado del sol y fuera de golpes o vibraciones bruscas. Transcurridos 60días se retiró la tapa y se eliminó el agua para comenzar los estudios. Tras realizar las pruebas de corrosión podemos observar que el material base no pre-senta una capa marrón asociada al grato, tal y como el resto de probetas poseen. Estaausencia de grato se debe a que el material base no fue tratado y sólo se presentó a lacorrosión como muestra de comparación, por lo que no poseerá más carbono que el por-centaje con el que fue construido. Una vez limpias las probetas se puede observar que noestá atacada de manera apreciable a una escala macroscópica, lo que conrma las buenaspropiedades anticorrosivas de los aceros inoxidables. Sin embargo, tras la limpieza de lacapa de grato y una eliminación exhaustiva del material desprendido podemos llevar acabo un análisis mediante SEM.12.1. Probetas C50- En el caso en que se analicen las probetas depositadas con esta mezcla de gases me-diante SEM a 15 kV y a un gran aumento se localizan de manera dispersa varios porososcuros, identicados como oricios creados por el proceso de corrosión por picaduras.Parece ser que la aparición de las picaduras es independiente al tiempo de tratamiento,conrmando que este proceso se debe a la concentración de cloro en la disolución. Quizássea normal que aparezcan más picaduras a mayor tiempo de tratamiento, aunque no seha observado esto. De todas maneras, la aparición de picaduras indica de manera clara que se da unadesmejoría de la resistencia a la corrosión respecto al material base sin tratar, ya queademás de estas picaduras el efecto de láminas delgadas que se dan en las probetas ce-mentadas a causa de la acumulación de deshechos no se dan en el material base. Sinembargo, parece ser que la pérdida de calidad anticorrosiva no es muy dramática. Figura 41: Imagen SEM de la probeta C50-030 tras un periodo de corrosión.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 54 12 ANÁLISIS DE LAS PROBETAS Figura 42: SEM de la probeta C50-060 en donde aparecen las picaduras.Figura 43: Fotografía SEM de la probeta C50-120 en donde apenas se ven los efectos dela corrosión por picaduras.12.2. Probetas C80- En este caso también se repiten los análisis con SEM a 15 kV usando una gran mag-nicación. Además de la previa capa de grato y de las capas delgadas desprendidas dela supercie se observan efectos de la corrosión con este análisis. Al realizar una limpiezaa fondo se comprueba fácilmente la aparición de corrosión generalizada en la mayor partede la supercie de la probeta, por lo que se tiene en claro que una gran acumulación decarbono y un gran bombardeo de argón durante la cementación no son apropiados a lahora de resistir a los medios corrosivos. Es más, las imágenes no muestran diferencias entre las probetas sometidas a diferentestiempos de tratamiento, por lo que debe ser causado por la atmósfera de trabajo. Todaspresentan una desmejoría respecto al material base, por lo que ha de descartarse su apli-cación en implantes ortopédicos. La estructura altamente expandida de la austenita o lapresencia de agregados de carbono pueden ser los responsables de esta corrosión general-Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 12 ANÁLISIS DE LAS PROBETAS 55izada, ya que debido a la presencia de Mo en el acero AISI 316 no debería sufrir este tipode corrosión. Figura 44: Imagen SEM de la probeta corroida C80-030. Figura 45: Estudio SEM de la probeta C80-060 tras 60 días en un medio corrosivo. Figura 46: Corrosión apreciable por SEM en la probeta C80-120.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 56 13 PRINCIPIOS BÁSICOSParte VIHaz iónico focalizado (FIB)13. Principios básicos [Fibics, 2009] [Söderberg, 2004] Figura 47: Dispositivo FIB. Es una técnica que puede ser utilizada para barrer material de localizaciones muyespecícas de una muestra, por lo que se convierte en apropiado como paso de preparaciónde las muestras para XTEM, creando incluso estructuras de multicapas de parámetroselegidos por el cientíco. Esto no es posible con la preparación ordinaria de las muestrasdebido a la falta de precisión de un barrido iónico. El dispositivo FIB puede compararsecon un microscopio de barrido electrónico (SEM), pero que en vez de emitir electrones serecurre a un haz de iones de galio. Por consiguiente, las imágenes FIB se toman de unamanera similiar a como se hace mediante SEM. Esta técnica posee ventajas y desventajaspor el simple hecho de utilizar Ga. Los iones pesados (en comparación con los electrones)logran barrer el material a una tasa considerable. Sin embargo, esto induce un daño a lamuestra por el mero hecho de llevar a cabo la observación. El sistema FIB usa un haz de iones de galio namente focalizado, por lo que se puedeoperar tanto a corrientes bajas del haz para crear imágenes, como a altas corrientes delhaz para sputtering especíco o barridos.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 13 PRINCIPIOS BÁSICOS 57 Figura 48: Detalle esquemático del proceso con FIB. Tal y como muestra la gura, el haz de iones primarios de galio (Ga+ ) golpea la super-cie de la muestra, eyectando entonces una pequeña cantidad de material que abandonala supercie como iones secundarios (𝑖+ o 𝑖− ) o átomos neutros (𝑛0 ). El haz primario tam-bién produce electrones secundarios (𝑒− ). Conforme el haz primario se direcciona sobre lasuperice de la muestra, se lleva a cabo la recolección de la señal de los iones eyectados oelectrones secundarios para así crear una imagen. En el caso de corrientes bajas del haz primario se constata que hay poca eyeccióndel material; para sistemas FIB modernos se puede alcanzar la resolución de 5 nm en lasimágenes. Para altas corrientes primarias se observa una gran eliminación del materialmediante sputtering, permitiendo entonces realizar un barrido de precisión del especimena una escala submicrométrica. Si la muestra no es conductora debe utilizarse un cañón de electrones de baja energíapara inundar la supercie y así procurar la neutralización de la carga. De este modo, sepueden llevar a cabo imágenes con iones secundarios positivos mediante un haz primariode iones positivos. Esto es cierto incluso cuando se analizan muestras altamente aislantes,por lo que se pueden obtener imágenes o hacer barridos sin un recubrimiento supercialconductor, tal y como se requiere en la técnica SEM. Además del sputtering del haz iónico primario, la inundación de la supercie puederealizarse mediante una amplia variedad de gases. Esto permite una corrosión químicaselectiva asistida por gases o una deposición selectiva de material conductor o aislantemediante un proceso de descomposición del gas de deposición por el haz iónico primario. Hasta hace poco, la técnica FIB era usada ampliamente en la industria de semiconduc-tores. Se aplicaba para realizar análisis de defectos, modicación de circuitos, reparaciónde máscaras y como preparación de la muestra para TEM en localizaciones especícas decircuitos integrados. Actualmente, los sistemas FIB poseen una gran capacidad para laobtención de imágenes de alta resolución; esta capacidad, acoplada con la posibilidad deseccionar in situ las muestras, ha eliminado la necesidad de estudiar mediante SEM lasmuestras seccionadas con FIB.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 58 14 ESTUDIO EXPERIMENTAL Por consiguiente, además de usar FIB para la industria de semiconductores (modi-cación de dispositivos, formación de sondas y preparación para TEM) se puede emplearsin asomo de duda en la ciencia de materiales, abarcando puntos como los análisis derecubrimientos duros de TiN sobre aceros de alta velocidad, estudos de matrices de com-puestos, adhesión de recubrimientos poliméricos, preparación de muestras para TEM, etc.14. Estudio experimental Los estudios se realizaron con un dispositivo Helios NanoLab 600 de FEI Companyque es capaz de simultanear SEM y FIB. Para FIB posee una fuente de metal líquidode Ga que permite trabajar durante más de 1000 horas y la resolución máxima es de 5nm para una tensión de 30 kV (en la conguración WDS coincidente). La tensión del hazpuede ajustarse a un valor comprendido entre 500 V y 30 kV, por lo que es posible realizarimágenes tanto como lograr un barrido iónico. En el caso de una aplicación mediante EDSla resolución última será < 30 nm, siempre y cuando se analice una muestra delgada. Porúltimo, hay que mencionar que es posible jugar con la inclinación de la muestra, por loque podemos incidir a una gran variedad de ángulos.14.1. Análisis de la probeta C50-030 El bombardeo con los iones de galio está acompañado con la deposición de una máscarapara lograr un cráter cuadrado y no perder eciencia en el barrido iónico. Las observacionesse pueden hacer tanto en la normal como a una inclinación determinada dentro de unrango, ya que a determinados ángulos rasantes no se observará el interior del cráter.Conociendo la corriente y el área bombardeada es posible simular mediante SRIM elrendimiento de sputtering y usar estos tres valores (junto a la carga elemental del electrón)para determinar la tasa de eliminación de material, que nos dará la velocidad de decapado. En la primera gura se puede observar que la base del cráter es altamente irregular,con zonas muy profundas y muy elevadas. Parece ser que esta diferencia en la tasa deeliminación de material se puede deber a la existencia de inclusiones de carburos enla misma red austenítica, aunque lo más probable es que sea achacado a un efecto decanalización, por el que los iones quedan encerrados entre planos de red y penetran en elmaterial sin apenas pérdida energética. Esto, unido a las colisiones con el material seríala causa de la base del cráter tan irregular. Una vez realizados los estudios superciales se atiende al estudio transversal. En estecaso es necesario cortar la probeta para que el bombardeo de galio vaya desde la super-cie hasta la masa del acero sin tratar. En este caso se llevan a cabo tres bombardeoscon un tiempo diferente, comprobando así la mecánica del barrido con el tiempo. En lostres casos se puede observar que la zona más inmediata a la supercie que el material ce-mentado es eliminado rápidamente. Esto está causado por la inclusión de contaminantesTrabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 14 ESTUDIO EXPERIMENTAL 59que desvirtúan la red austenítica por el simple hecho de colocar la probeta a la atmós-fera. Bajo esta zona se ve que el material tarda en barrerse, debido a que la estructuraaustenítica expandida es más resistente en esta zona. Es importante mencionar que elprocedimiento de eliminado coincide con el del material base, por lo que se puede achacara que la estructura del material base es tan resistente como la de la capa cementada.Se observa también que en la zona colindante a la interfase entre la capa y el acero notratado se da una fuerte erosión, debido quizás a un desacople de los parámetros de redentre ambas fases, por lo que el bombardeo es ayudado por tensiones internas. Figura 49: Imagen FIB de la probeta C50-030. Figura 50: Corte transversal y analizado mediante FIB.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 60 14 ESTUDIO EXPERIMENTAL14.2. Análisis de la probeta C80-030 En el estudio supercial de la probeta también se llevará a cabo la creación de uncráter cuadrado, colocando una máscara para lograr esta estructura. Al determinar elárea y la corriente iónica se puede conocer la tasa de eliminación de material (conociendomediante simulación el rendimiento de sputtering y la carga elemental del electrón) porlo que sabremos cuántos nanómetros por segundo elimina el bombardeo de galio. En laprimera imagen se observa que la eliminación de material es uniforme en todo el fondo delcráter, al contrario con lo que pasaba en C50-030. Esta eliminación constante se puededeber a la inexistencia de agregados de carburos o, lo que es más probable, a la ausenciadel efecto de canalización, ya que el intenso bombardeo de la muestra por parte del argóndurante el proceso de cementación pudo haber provocado deslizamiento de planos quebloquearan los canales. En cuanto al caso del análisis transversal se vuelve a identicar que la zona mássupercial se erosiona rápidamente debido a la inclusión de contaminantes atmosféricos.Desde ese punto hasta la interfase se comprueba un barrido uniforme, lo mismo que en lamasa, por lo que se identica una erosión conducida por la propia estructura austenítica.Sin embargo, es cierto que se elimina más material de la capa cementada que de la masa,quizás debido a la colaboración de tensiones internas causadas por el bombardeo previode los iones de argón. Figura 51: FIB supercial de C80-030.Trabajo de Formación III Javier García Molleja
    • 14 ESTUDIO EXPERIMENTAL 61Figura 52: Imagen FIB de tres erosiones de duración diferentes en la zona transversal deC80-030.Javier García Molleja Trabajo de Formación III
    • 62 REFERENCIASReferencias[Carvalho, 2001] Carvalho N.J.M.: Low Friction and Wear Resistant Coatings: Mi- crostructure and Mechanical Properties (tesis doctoral); Rijkuniversiteit Groningen (2001)[Corrosión] Tecnología de Procesos Industriales S.A.: Corrosión en la industria de ali- mentos www.tpi.cl/pdf/biblioteca/industrial/corros2.pdf[Dureza, 2009] eFunda : http://www.efunda.com/units/hardness/ (2009)[Fibics, 2009] Fibics : http://www.fibics.com/fib/tutorials/introduction-focused -ion-beam-systems/4/[Indentaciones]Hardness Testing : http://www.gordonengland.co.uk/hardness/[Kar, 2006] Kar K.K.: Experiment 1: Measurement of hardness of steel, aluminium, brass, FRP composites (orthotropic), plastic and elastomer using Rockwell, Brinell, Micro- hardness, Shore A, and Shore D ; Indian Institute of Technology, Kanpur (2006) http://home.iitk.ac.in/~kamalkk/ME-371.htm[Microscopios] Microscopía : http://www.monografias.com/trabajos7/micro/micro.shtml[Müller, 1973] Müller K. y otros: The Science of Hardness Testing and its Research Ap- plications. Section: Determination of Vickers Hardness Under Loada Method Con- sidering the Viscoelastic Behavior of Plastics ; Ed. J.H. Westbrook y H. Conrad, American Society for Metals (1973)[Óptica] Microscopio Óptico : http://www.biologia.edu.ar/microscopia/[Procesos] Corrosión y Métodos anticorrosivos : http://www.fisicanet.com.ar/quimica /q3_corrosion.php[Puntas, 2007] Hysitron : www.hysitron.com (2007)[Söderberg, 2004] Söderberg H.: Microstructural characterization and hardening behavior of reactive magnetron sputtered TiN/Si N multilayer thin lms (tesis de licenciatu- 3 4 ra); Luleå University of Technology (2004)Trabajo de Formación III Javier García Molleja