tÉcnicas de caracterizaÇÃo de materiais · estudo de defeitos cristalinos: " discordâncias...

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TÉCNICAS DE MICROSCOPIA

TTÉÉCNICAS DE CNICAS DE

CARACTERIZACARACTERIZAÇÇÃO ÃO DE DE

MATMATERIAISERIAIS

por Prof. Dr. Henrique Kahnpor Prof. Dr. Henrique Kahn

! Microscopia óptica"Estereomicroscopia

"Microscopia de luz transmitida

"Microscopia de luz refletida

! Microscopia de feixe de elétrons"MEV - Microscopia eletrônica de varredura

"MET - Microscopia eletrônica de transmissão

! Estereologia (microscopia quantitativa)

2

Evolução da microscopia

Comparação entre as técnicas de microscopia

Característica Microscopia óptica

Microscopia eletrônica de

varredura

Microscopia eletrônica de transmissão

Microscopia de campo iônico

Tensão de aceleração (kV)

− 3 a 50 50 a 1000 5 a 15

Faixa útil de aumentos

1 a 3.000 X 10 a 50.000 X 1.000 a 300000 1.000.000 X

Resolução (Å)

3.000 Å 30 Å 3Å 1 Å

Profundidade de foco com 1000 X

0,1 µm 100 µm 10 µm −

Densidade máxima de

discordâncias medida (cm/cm3)

105 (cavidades de corrosão)

106 (cavidades de corrosão)

1012 (lamina fina)

−

3

MICROSCOPIA MICROSCOPIA ÓÓPTICA PTICA --APLICAAPLICAÇÇÕESÕES

!! IdentificaIdentificaçção de fases minerais;ão de fases minerais;

!! QuantificaQuantificaçção de fases minerais;ão de fases minerais;

!! ComposiComposiçção de fases minerais;ão de fases minerais;

!! Formas de intercrescimento e associaFormas de intercrescimento e associaçções.ões.

ESTEREOMICROSCOPIAESTEREOMICROSCOPIA

!! Visão estVisão estééreo (3D);reo (3D);

!! Aumentos 4 a 200 vezes (usual 10 a 100X);Aumentos 4 a 200 vezes (usual 10 a 100X);

!! DistinDistinçção de fases por meio de caracterão de fases por meio de caracteríísticas sticas morfolmorfolóógicas:gicas:"" cor, transparência, brilho;cor, transparência, brilho;

"" hháábito;bito;

"" clivagem, particlivagem, partiçção e fratura;ão e fratura;

"" luminescência UV.luminescência UV.

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ESTEREOMICROSCESTEREOMICROSCÓÓPIOPIO

zoom 3 a12 Xzoom 3 a12 X

IluminaIluminaçção:ão:incidente;incidente;transmitidatransmitida

ESTEREOMICROSCOPIA ESTEREOMICROSCOPIA --DISTINDISTINÇÇÃO DE FASESÃO DE FASES

zircão turmalina granada

5

Rutilo

Zircão

6

MICROSCOPIA DE POLARIZAMICROSCOPIA DE POLARIZAÇÇÃO ÃO POR LUZ TRANSMITIDAPOR LUZ TRANSMITIDA

!! Aumentos 20 a 1.000 vezes;Aumentos 20 a 1.000 vezes;

!! Recursos de polarizaRecursos de polarizaçção de luz;ão de luz;

!! DistinDistinçção de fases por meio de: ão de fases por meio de: "" caractercaracteríísticas morfolsticas morfolóógicas;gicas;

"" propriedades propriedades óópticas.pticas.

CALCITA CALCITA –– CaCOCaCO33

Como explicar a formaComo explicar a formaçção de uma dupla imagem?ão de uma dupla imagem?

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MICROSCOPIO DE POLARIZAMICROSCOPIO DE POLARIZAÇÇÃO ÃO POR LUZ TRANSMITIDAPOR LUZ TRANSMITIDA

MICROSCOPIO DE POLARIZAMICROSCOPIO DE POLARIZAÇÇÃO POR ÃO POR LUZ TRANSMITIDALUZ TRANSMITIDA

liga/desliga

intensidade de iluminação

oculares

objetivas

analisador/compensador

polarizador / diafragma e condensador

controle de foco

lente de Bertrand

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MICROSCOPIO DE POLARIZAMICROSCOPIO DE POLARIZAÇÇÃO POR ÃO POR LUZ TRANSMITIDALUZ TRANSMITIDA

controle de foco

diafragma

polarizadorcondensador

objetivas

analisador / compensador

platina giratória

REFRAREFRAÇÇÃO DA LUZÃO DA LUZ! Comportamento dos minerais transparentes e semi-

opacos em relação à luz •• isisóótropostropos (um índice de refração);

•• anisanisóótropostropos (dois ou três índices de refração, respectivamente, uniaxiais e biaxiais).

Indicatriz isótropa

x y

z

Indicatriz biaxialIndicatriz uniaxial

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PROPRIEDADES PROPRIEDADES ÓÓPTICAS PTICAS -- RELEVORELEVO

Relação entre o índice de refração do mineral e do meio no qual este está imerso:

A - baixo B - alto

ÍÍNDICE DE REFRANDICE DE REFRAÇÇÃO ÃO --LINHA DE BECKELINHA DE BECKE

! Tênue linha da luz na borda dos minerais que se movimenta ao se desfocar o microscópio.

ÍÍndice do mineral > meiondice do mineral > meio

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ÍÍNDICE DE REFRANDICE DE REFRAÇÇÃO ÃO --LINHA DE BECKELINHA DE BECKE

! Tênue linha da luz na borda dos minerais que se movimenta ao se desfocar o microscópio.

ÍÍndice do mineral < meiondice do mineral < meio

LUZ POLARIZADALUZ POLARIZADA

!! OscilaOscilaçção somente em uma direão somente em uma direçção.ão.

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MINERAIS ISMINERAIS ISÓÓTROPOSTROPOS

! Sistema cúbico;! Apresentam um único índice de refração;! São isótropos em relação à luz:

" sob nicóis cruzados (polarizador e analisador) estão sempre extintos (não visíveis) ao giro da platina

MINERAIS ANISMINERAIS ANISÓÓTROPOSTROPOS

! Outros sistema cristalinos que nâo o cúbico;! Apresentam dois ou três índices de refração;! São anisótropos em relação à luz:

" Pleocroismo (coloridos);" Extinção;" Elongação (hábito prismático);" Figuras de interferência.

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PLEOCROPLEOCROÍÍSMOSMO

! Minerais coloridos apresentando duas cores

distintas, cada qual concordante com um índice de

refração.

Observação em nicóis paralelos - ssóó polarizadorpolarizador

INTERFERÊNCIA DE LUZINTERFERÊNCIA DE LUZ

Atraso = (nAtraso = (n11 -- nn22) . d = birrefringência () . d = birrefringência (∆∆ ))

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Tabela de cores de interferência

EXTINEXTINÇÇÃOÃO

Observação em nicóis cruzados - polarizador e analisador a 90º

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! Reta ou paralela



! Simétrica


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!! InclinadaInclinada


c

zz Λ c

MICROSCOPIA DE POLARIZAMICROSCOPIA DE POLARIZAÇÇÃO ÃO POR LUZ REFLETIDAPOR LUZ REFLETIDA


!! Recursos de polarizaRecursos de polarizaçção de luz;ão de luz;

!! DistinDistinçção de fases por meio de: ão de fases por meio de: "" caractercaracteríísticas morfolsticas morfolóógicas;gicas;

"" propriedades fpropriedades fíísicas;sicas;

"" propriedades propriedades óópticaspticas;;

"" propriedades qupropriedades quíímicasmicas..

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MICROSCOPIO DE POLARIZAMICROSCOPIO DE POLARIZAÇÇÃO ÃO POR LUZ REFLETIDAPOR LUZ REFLETIDA

Amostra Amostra ortogonal ortogonal ààincidência da luzincidência da luz

PREPARAPREPARAÇÇÃO DA SEÃO DA SEÇÇÃOÃO! Corte da amostra;! Montagem da seção em resina;! Desbaste:

" manual em lixa d’água e/ou carborundum;" mecanizado em discos especiais;

! Polimento:" tecidos especiais com alumina ou diamante

como abrasivos;" disco de chumbo com alumina;

! Tipos de seções:" polida - luz refletida;" delgada/polida - luz transmitida e refletida.

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Corte da AmostraCorte da Amostra!! Discos Discos diamantadosdiamantados

Corte para seção delgada

DESBASTEDESBASTE

!! ManualManual !! Discos Discos especiaisespeciais

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Polimento Polimento -- LogitechLogitech

!! Tecidos Tecidos especiaisespeciais

!! Disco de Disco de chumbochumbo

Tipos de SeTipos de Seççõesões

!! PolidaPolida !! Delgada polidaDelgada polida

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DISTINDISTINÇÇÃO DE FASESÃO DE FASES!! CaracterCaracteríísticas morfolsticas morfolóógicas:gicas:

"" hháábito;bito;"" clivagem, particlivagem, partiçção e fratura;ão e fratura;

!! Propriedades Propriedades óópticas:pticas:"" cor de reflexão;cor de reflexão;"" isotropia / anisotropia;isotropia / anisotropia;"" birreflectânciabirreflectância;;"" refletividade (relativa ou absoluta);refletividade (relativa ou absoluta);"" reflexão interna; reflexão interna;

!! Outras propriedades fOutras propriedades fíísicas:sicas:"" dureza ao risco (relativa)dureza ao risco (relativa)"" dureza dureza VickersVickers (absoluta);(absoluta);

!! PPropriedadesropriedades ququíímicasmicas

!! minminéério de Cu,Pb (Zn)rio de Cu,Pb (Zn)

calcopirita

pirita

galena

esfalerita

pirrotita

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!! minminéério de cobre (rio de cobre (exsoluexsoluççãoão))

bornitacalcopirita

ISOTROPIA / ANISOTROPIAISOTROPIA / ANISOTROPIA

! Sob nicóis cruzados (polarizador e analisador

a cerca de 87-88º) observar se ocorre

mudança de cor ao giro da platina do

microscópio:

" não há mudança de cor ⇒⇒ iissóótropotropo;

" há mudança de cor ⇒⇒ anisanisóótropotropo. .

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!! hematita (hematita (nicnicóóisis cruzados)cruzados)

BIRREFLECTÂNCIABIRREFLECTÂNCIA

! Sob nicóis paralelos (só polarizador) observar

se ocorre mudança na cor de reflexão do

mineral ao giro da platina do microscópio:

" há mudança de cor ⇒⇒ birreflectânciabirreflectância. .

Obs.: BirreflectânciaBirreflectância corresponde a fenômeno equivalente a

dicrodicroíísmo / smo / pleocropleocroíísmosmo em microscopia de polarização

sob luz transmitida.

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molibdenita

" birreflectância

" geminação

REFLETIVIDADEREFLETIVIDADE

! Diferenças na intensidade de luz refletida

pelos minerais sob nicóis paralelos (só

polarizador);

! Pode ser avaliada:

" qualitativamente;

" quantitativamente (célula fotoelétrica).

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MEDIDA DE REFLETIVIDADEMEDIDA DE REFLETIVIDADE

! Comparação com padrões⇒ calibracalibraççãoão;;

! Luz policromática ou monocromática;

! Medida em ar ou imersão em óleo.

REFLEXÃO INTERNAREFLEXÃO INTERNA

! Aumento elevado" ( obj >20X);

! Nicóis cruzados" (polarizador e analisador);

Fenômeno de múltiplas reflexões internas

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DUREZA AO RISCO DUREZA AO RISCO -- Escala Escala TalmageTalmage

A A -- ArgentitaArgentita;;

B B -- Galena;Galena;

C C -- Calcopirita;Calcopirita;

D D -- TetraeditaTetraedita;;

E E -- NicolitaNicolita;;

F F -- Magnetita;Magnetita;

G G -- IlmenitaIlmenita

DUREZA VICKERSDUREZA VICKERS

!! Medida da deformaMedida da deformaçção causada em um ão causada em um

mineral por uma pirâmide invertida de mineral por uma pirâmide invertida de

diamante,sobre a qual diamante,sobre a qual éé aplicada uma certa aplicada uma certa

carga (0,1 a 500 g) carga (0,1 a 500 g)

D.V. = D.V. = (kg / mm(kg / mm22) , onde: ) , onde:

P = peso (g)d = diâmetro médio da identação (≈ 20 medidas)

1854,4 . P1854,4 . Pdd22

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DUREZA VICKERSDUREZA VICKERS

Escala e marcas de identaçãoDurimet

DUREZA VICKERS DUREZA VICKERS X X

REFLETIVIDADEREFLETIVIDADE

Microdureza Vickers (média)

RefletividadeMédia (%)

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MEVMEV –– MICROSCOPIA ELETRÔNICA MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURADE VARREDURA

MEV e EDS/WDSMEV e EDS/WDS


!! Elevada profundidade de campo;Elevada profundidade de campo;

!! InteraInteraçção elão eléétrons trons -- amostra;amostra;

!! AnAnáálises qulises quíímicas pontuais (EDS / WDS).micas pontuais (EDS / WDS).

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MEVMEV# A coluna do MEV gera um

fino feixe de elétrons;# Um sistema de deflexão

controla o aumento da imagem;

# Interação entre os elétrons e a amostra;

# Detetores de elétrons coletam o sinal;

# A imagem é visualizada em um monitor simultaneamente a varredura do feixe de elétrons;

GeraGeraçção do feixe de elão do feixe de eléétronstrons

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Coluna e lentes Coluna e lentes

eletromagneletromagnééticasticas

Mecanismo de Mecanismo de

varreduravarredura

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INTERAINTERAÇÇÃO ELÃO ELÉÉTRONS AMOSTRATRONS AMOSTRA

## Fornecem informaFornecem informaçções sobre a composiões sobre a composiçção, topografia, ão, topografia, cristalografia, potencial elcristalografia, potencial eléétrico e campos magntrico e campos magnééticos locais.ticos locais.

PROFUNDIDADE DAS INTERAÇÕES GERADAS

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ELELÉÉTRONS RETROTRONS RETRO--ESPALHADOSESPALHADOS

# Compreende espalhamento elástico de elétrons cuja trajetória foi desviada em mais de 90° em relação à direção do feixe incidente. Mostram estreita relação de dependência com o número atômico e a energia dos elétrons (50 eV atévalores correspondentes a energia do feixe incidente).

# Permitem a individualização de fases através de contraste de tons de cinza em função do número atômico médio (Z) - diferenças Z > 0,2.


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BSE Ouro primário, Salamangone, AP

ELELÉÉTRONS SECUNDTRONS SECUNDÁÁRIOSRIOS

# Compreendem os elétrons da camada de

valência perdidos que emergem através da

superfície da amostra;

# Englobam todos os elétrons de energia

inferior a 50 eV;

# Possibilitam a visualização da topografia da

amostra, com elevada profundidade de foco.

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DETETOR DE ELDETETOR DE ELÉÉTRONS TRONS SECUNDSECUNDÁÁRIOSRIOS

ELELÉÉTRONS SECUNDTRONS SECUNDÁÁRIOSRIOS

SE

diatomácea

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CATODOLUMINESCÊNCIACATODOLUMINESCÊNCIA

# O bombardeamento da amostra por um feixe de elétrons pode dar origem a emissão de fótons de comprimento de onda elevados, situados nas regiões do espectro eletromagnético referentes às radiações ultravioleta, visível e infravermelho. Este fenômeno, bem evidente em alguns minerais (fluorita, apatita, etc), é denominado de catodoluminescênciacatodoluminescência.

CATODOLUMINESCÊNCIACATODOLUMINESCÊNCIA

zircão

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RAIOS RAIOS -- XX

## O espectro de raiosO espectro de raios--X resultante da interaX resultante da interaçção ão

eleléétrons / amostra trons / amostra éé constituconstituíído por dois do por dois

componentes distintos: componentes distintos:

$$ raiosraios--X X caractercaracteríísticostico, que permite identificar e , que permite identificar e

quantificar os elementos presentes, quantificar os elementos presentes,

$$ raiosraios--X X contcontíínuonuo, respons, responsáável pelo vel pelo ““backgroundbackground”” em em

todos os ntodos os nííveis de energia.veis de energia.

LINHAS DE LINHAS DE

EMISSÃO EMISSÃO

ATÔMICAATÔMICA

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RAIOS RAIOS -- X CONTX CONTÍÍNUONUO

K

L

M

ESPECTRÔMETROS DE RAIOS ESPECTRÔMETROS DE RAIOS -- XX

#o espectrômetro de dispersão de energia

(EDS);EDS);

#espectrômetro de dispersão de comprimento

de onda (WDS).WDS).

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ESPECTRÔMETRO DE RAIOS ESPECTRÔMETRO DE RAIOS -- X POR X POR DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS)DISPERSÃO DE ENERGIA (EDS)

#discriminação de todo o espectro de energia

através de um detetor de estado sólido de

Si(Li) ou Ge.

ESPECTRÔMETRO DE RAIOS ESPECTRÔMETRO DE RAIOS -- XX

EDSEDS

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Bastnaesita ParisitaCe - 31,1 26,5La - 23,3 19,9Nd - 3,35 3,80outros ETR - 1,67 1,90Sr - 1.95 1,22Y - 0,21 0,71Th - 1,36 0,72Ca - 0,91 8,11C - 5,59 6,42O - 22,3 25,7F - 8,50 7,39

Ln2O3 - 69,9 61,8CaO - 1,27 11,4

Fase Clara - Bastnaesita Fase Escura - Parisita

ETR, Barra de Itapirapuã

ESPECTRÔMETRO DE RAIOS ESPECTRÔMETRO DE RAIOS -- X POR X POR DISPERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA DISPERSÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA

(WDS)(WDS)

#cristais analisadores e difração (nλ = 2 d sen θ)

são empregados para a discriminação dos

raios-X segundo o comprimento de onda da

radiação (monocromador).

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ESPECTRÔMETRO DE RAIOS ESPECTRÔMETRO DE RAIOS -- XX

WDSWDS

ESPECTRÔMETRO DE RAIOSESPECTRÔMETRO DE RAIOS--X : WDSX : WDS

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ESPECTRÔMETRO DE RAIOSESPECTRÔMETRO DE RAIOS--X : WDSX : WDS

!! Cristais analisadoresCristais analisadores

COMPARACOMPARAÇÇÃO ENTRE EDS e WDSÃO ENTRE EDS e WDS

Espectro por WDS(escala log)

Espectro por EDS

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COMPARACOMPARAÇÇÃO ENTRE EDS e WDSÃO ENTRE EDS e WDS

Características WDS - cristaisanalisadores

EDS - Si(Li) ou Ge

Número atômico z ≥ 4 z ≥ 4 (janela ultrafina)Intervalo espectral resolução do espectrômetro

(1 elemento por vez)todo o intervalo disponível0-20 keV (multi-elementar)

Resoluçãoespectral

dependente do cristal(≈ 5 a 10 eV)

132 a 145 eV detetor de Si111 a 115 eV detetor de Ge

limite de deteção ≈ 0,01 % ≈ 0,1%Contagem máxima 100.000 cps

para uma linhacaracterística

depende da resolução2.000 a 100.000 cps para todo o

espectro (Ge ≈ 4 X Si)diâmetro usualmínimo do feixe

≈ 200 nm (2000 Å) ≈ 5 nm (50 Å)

tempo por análise 5 a 30 minutos(depende do nº de

elementos)

1 a 3 minutos

Ca, P;Si;Fe

Fosfato de Tapira, MG

Ca, P;Fe

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METMET –– MICROSCOPIA ELETRÔNICA MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃODE TRANSMISSÃO

! Estudo de defeitos cristalinos:" discordâncias

" defeitos de empilhamento.

! Estudo de defeitos de empilhamento;

! Estudos de precipitados muito finos -nanométricos.

METMET

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METMET –– PreparaPreparaççãoão de de amostrasamostras

Elemento Número atômico

Densidade (g/cm³)

Espessura máxima (Å)

Carbono 6 2,26 >5000 Alumínio 13 2,70 5000 Cobre 29 8,96 2000 Prata 47 10,50 1500 Ouro 79 19,30 1000

Diferença de potencial (kV) Fator de multiplicação 100 1 200 1,6 300 2,0 500 2,5

1000 3,0

Espessura máxima transmissível a 100 kVEspessura máxima transmissível a 100 kV

Espessura máxima transmissível a 100 kV

Efeito do aumento da tensão de aceleração - base 100 kV



Amostras de lâminas finas do prAmostras de lâminas finas do próóprio materialprio material

• Preparação de lâminas finas de metais e ligas: • corte de lâminas de 0,8 a 1,0 mm de espessura

• polimento mecânico até 0,10-0,20 mm de espessura

• polimento eletrolítico final.

• Preparação lâminas finas de polímeros e outros materiais

orgânicos:• microtomia, onde uma navalha corta películas finas e com

espessura controlada;

• ultramicrotomia - material resfriado em nitrogênio líquido.

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•• RRééplicas da superfplicas da superfíície da amostracie da amostra ("negativo" da superfície

observando-se o contraste relativo às variações de

espessura):

• de plástico: solução diluída de plástico em um solvente volátil

formando um filme;

• de carbono: este material é evaporado na superfície da amostra.

Esta técnica pode ser utilizada também para arrancar partículas de

precipitados da amostra, a chamada réplica de extração;

• de óxido: usada principalmente para ligas de alumínio, o filme de

óxido é obtido por anodização de uma superfície previamente

polida eletroliticamente.

METMET -- FORMAFORMAÇÇÃO DE IMAGEMÃO DE IMAGEM! Sólidos amorfos

contraste em scontraste em sóólidos amorfos com varialidos amorfos com variaçção de densidade ão de densidade --região B região B éé mais densa que a região Amais densa que a região A

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METMET -- FORMAFORMAÇÇÃO DE IMAGEMÃO DE IMAGEM! Sólidos cristalinos

METMET -- FIGURAS DE DIFRAFIGURAS DE DIFRAÇÇÃOÃO

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METMET -- DIFRADIFRAÇÇÃO DE ELÃO DE ELÉÉTRONSTRONS!! Ferro alfa, com as manchas ou pontos indexadosFerro alfa, com as manchas ou pontos indexados

ESTEREOLOGIAESTEREOLOGIAOU OU

MICROSCOPIA QUANTITATIVAMICROSCOPIA QUANTITATIVA

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ESTEREOLOGIAESTEREOLOGIA

!! Estudo das relaEstudo das relaçções entre estruturas ou ões entre estruturas ou feifeiçções tridimensionais de uma amostra e seus ões tridimensionais de uma amostra e seus parâmetros de medida em imagens parâmetros de medida em imagens bidimensionaisbidimensionais

ESTEREOLOGIAESTEREOLOGIA 3D3D

2D2D

SeSeçções aleatões aleatóórias de rias de esferas de diâmetro desferas de diâmetro d

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ESTEREOLOGIAESTEREOLOGIA

! PARÂMETROS DE INTERESSE:"Dimensões de feições;

"Forma de feições;

"Proporções volumétricas;

"Associações minerais:% Grau de liberação;% Textura e orientação;

ProporProporçções volumões voluméétricas tricas --AnAnáálise modallise modal

! As proporções volumétricas são determinadas

através de medidas de áreas, linhas ou pontos a

partir de seções não orientadas, ou material

particulado previamente classificado em estreitas

faixas granulométricas.

VVvv = A= Aaa = = LLll = P= PppPrincPrincíípio da pio da EstereologiaEstereologia

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ANANÁÁLISE DE LISE DE IMAGENSIMAGENS

!! AvaliaAvaliaçção quantitativa de feião quantitativa de feiçções ões geomgeoméétricas expostas em imagens tricas expostas em imagens bidimensionaisbidimensionais

ANANÁÁLISE DE IMAGENSLISE DE IMAGENS

! Imagens digitais:

resolução (500 a 3000 pixels)

pixel

profundidade (bites por pixel)

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SEQSEQÜÜÊNCIA DE OPERAÊNCIA DE OPERAÇÇÕESÕES

! aquisição da imagem (MO ou MEV);

! armazenamento da imagem;

! processamento de imagem;

! detecção das feições de interesse;

! processamento de imagem binária;

! medidas;

! apresentação de resultados.

tÉcnicas de caracterizaÇÃo de materiais · estudo de defeitos cristalinos: " discordâncias...

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