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1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura : Caracterización Estructural
Carrera : Ingeniería en Materiales
Clave de la asignatura : MAC-1004
SATCA1 2- 2- 4
2.- PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
Con la presente asignatura el estudiante aplicará la microscopía óptica, difracción de Rayos
X y microscopías electrónicas de barrido y trasmisión en la caracterización estructural de los
materiales. Desde el punto de vista práctico la asignatura habilita al estudiante en los
principios teóricos de las antes mencionadas, lo cual le permitirá identificar aspectos la
microestructura, composición química, verificar las fases que los componen e identificar
morfologías, para predecir sus propiedades y explicar los fenómenos involucrados para su
comportamiento.
Intención didáctica.
Se abordan cuatro métodos de caracterización estructural, en cada se técnica se analizan
los principios fundamentales y leyes, características de los equipos, así como métodos de
preparación de muestras para cada una.
En la primera unidad se inicia con una técnica clásica en la caracterización de los materiales
como es la microscopía óptica. Se identifica cada una de las partes componentes del
microscopio y su función en la formación de las imágenes. Para lograr una mejor
interpretación de la información obtenida en esta técnica se aplican los principios de la
óptica clásica. Se concientiza sobre las limitantes de la técnica como son el poder de
resolución y la profundidad de campo. Se capacita el estudiante en las técnicas adecuadas
de preparación de muestras metalográficas para su observación y cuantificación de la
estructura (porcentaje de fases, tamaño de grano, forma y distribución de fases).
La segunda unidad corresponde a Difracción de Rayos X, se inicia con el estudio de la
naturaleza y la generación de los Rayos X, con las leyes de difracción y ley de Bragg para
establecer claramente las condiciones que facilitan el reforzamiento de una onda y permiten
el proceso de difracción. Con los difractogramas obtenidos el estudiante será capaz de
identificar las características estructurales de una muestra. Además se analiza el principio
de funcionamiento de un difractómetro de rayos X y las partes que lo constituyen.
La tercera unidad corresponde a la técnica de microscopía electrónica de barrido, se
establece de manera precisa las ventajas y limitaciones respecto a la microscopía óptica.
Partiendo de la interacción de los electrones con la materia se identifican todas las señales
resultantes, sus características y su aplicación en la microscopía electrónica de barrido.
Aplica los principios de la mecánica cuántica para la formación de imágenes. Mediante esta
técnica se puede obtener información de la morfología de partículas y fases, composición
química mediante espectroscopia electrónica.
1
Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos
El estudio del microscopio electrónico de trasmisión corresponde a la cuarta y última unidad
de la asignatura. Se parte de conocimiento general del equipo, sus partes y principio de
funcionamiento. Mediante los principios teóricos de funcionamiento de las lentes
electrónicas, se explica la formación de una imagen de campo claro, campo oscuro y patrón
de difracción de electrones. Resuelve e interpreta patrones de difracción. Esta herramienta
de caracterización requiere de técnicas especiales para la preparación de muestras, por lo
que se hace énfasis en ellas para obtener una muestra delgada y de buena calidad para
que permita el paso de los electrones.
El enfoque sugerido para la materia requiere que las actividades prácticas promuevan el
desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: identificación, manejo y
control de variables y datos relevantes; planteamiento de hipótesis; trabajo en equipo; En
las actividades prácticas sugeridas, es conveniente que el profesor busque sólo guiar a sus
alumnos para que ellos hagan la elección de los materiales a caracterizar. Para que
aprendan a planificar, que no planifique el profesor todo por ellos, sino que sean
responsables en el proceso de planeación y desarrollo de su proyecto.
En las actividades de aprendizaje sugeridas, se propicia que el estudiante tenga el contacto
con el concepto en forma concreta mediante la observación, la reflexión y la discusión de
ejemplos específicos de cada unidad.
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
ƒ Aplicar
las diferentes técnicas de
caracterización para
preparar
muestras e identificar la estructura de
los materiales a diferente orden de
magnitud e interpretar la información
obtenida
Competencias genéricas:
Competencias instrumentales
• Capacidad de análisis y síntesis.
• Capacidad de organizar y planificar.
• Conocimientos básicos de las
•
•
•
•
•
•
técnicas
de
caracterización
estructural.
Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes
diversas
Habilidad en la preparación de
muestras para caracterizar a
diferentes aumentos y y diferentes
técnicas.
Habilidades básicas de manejo del
microscopio óptico,
Auxiliarse de MEB, DRX, y MET, en
caracterización y diferenciación de
fases cristalinas, en diversos
materiales.
Comunicación oral y escrita
Interpretación de resultados de los
diferentes equipos utilizando el
software correspondientes.
Competencias interpersonales
•
•
•
•
Capacidad crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Habilidades interpersonales
Habilidades de vinculación entre
área de proceso productivo y control
de calidad.
Competencias sistémicas
• Capacidad
•
•
•
•
•
de
aplicar
los
conocimientos en la práctica
Habilidades de investigación
Capacidad de aprender
Capacidad de innovar.
Habilidad para trabajar en forma
autónoma
Iniciativa para aplicar nuevas
técnicas.
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar y fecha de
Participantes
elaboración o revisión
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Estudios Superiores de Superior de Irapuato, Morelia,
Ecatepec del 9 al 13 de Saltillo, Superior de Tlaxco y
Zacatecas.
noviembre de 2009.
Desarrollo de Programas
en
Competencias
Profesionales por los
Institutos Tecnológicos
del 16 de noviembre de
2009 al 26 de mayo de
2010.
Academias de Ingeniería en
Materiales de los Institutos
Tecnológicos de:
Chihuahua, Irapuato, Morelia y
Saltillo
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Zacatecas del 12 al 16 Superior de Irapuato, Morelia,
Saltillo, Superior de Tlaxco y
de abril de 2010.
Zacatecas.
Evento
Reunión
Nacional
de
Diseño
e
Innovación
Curricular
para
el
Desarrollo y Formación de
Competencias
Profesionales
de
la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Elaboración del programa
de estudio propuesto en la
Reunión
Nacional
de
Diseño Curricular de la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Reunión
Nacional
Consolidación
de
Programas
Competencias
Profesionales
de
Carrera de Ingeniería
Materiales.
de
los
en
la
en
5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Aplicar las diferentes técnicas de caracterización para preparar muestras e identificar la
estructura de los materiales a diferente orden de magnitud e interpretar la información
obtenida.
6.- COMPETENCIAS PREVIAS
• Comprender la estructura atómica
• Conocer las diferentes estructuras cristalinas
• Aplicar los conocimientos fundamentales de cristalografía
• Correlacionar los fundamentos de óptica y de mecánica cuántica
• Entender problemas de análisis vectorial
• Saber trabajar en laboratorio de forma individual y por equipos
7.- TEMARIO
Unidad
1
2
3
4
Temas
Microscopía óptica
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2.1.
Técnicas de difracción de
2.2.
rayos X
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
Subtemas
Principios de formación de imágenes
Partes y funcionamiento del microscopio óptico
Métodos de iluminación
Preparación de muestras
Interpretación de microestructuras
Análisis de imágenes
Naturaleza de los rayos
Generación de rayos X
Ley de Bragg
Factor de estructura
Técnicas de difracción de rayos X
Patrones de difracción
Método Rietveld
3.1.
Microscopía electrónica de
3.2.
barrido
3.3.
3.4.
3.5.
Óptica electrónica
Interacción haz de electrones – materia
Formación de imágenes
Microanálisis por dispersión de energía
Microanálisis por dispersión de longitud de
onda
3.6. Preparación de muestras
4.1.
Microscopía electrónica de
4.2.
transmisión
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
Descripción y principios de funcionamiento
Técnicas de preparación de muestras
Poder de resolución
Formación de imágenes
Formación de patrones de difracción
Reglas de indexación
Teoría cinemática
4.8. Teoría dinámica
4.9. Microscopía de alta resolución
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en
distintas fuentes.
Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de los contenidos
de la asignatura.
Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio
argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración de y entre
los estudiantes.
Propiciar, el desarrollo de actividades intelectuales de inducción-deducción y
análisis-síntesis, las cuales lo encaminan hacia la investigación, la aplicación
de conocimientos y la solución de problemas.
Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de
habilidades para la experimentación, tales como: observación, identificación.
Propiciar el uso adecuado de conceptos, y de terminología científicotecnológica.
Proponer problemas que permitan la integración de contenidos de la
asignatura y entre distintas asignaturas, para la caracterización.
Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de
estudios para desarrollar una visión interdisciplinaria.
Aplicar las técnicas de caracterización en el desarrollo de proyectos de
investigación de materiales específicos.
9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
ƒ La evaluación del aprendizaje se llevará a cabo a través de la constatación de los
desempeños académicos logrados por el estudiante; es decir, mostrando las
competencias profesionales explicitadas en los objetivos de aprendizaje.
ƒ La evaluación es continua y formativa por lo que se debe considerar el desempeño
en cada una de las actividades de aprendizaje, asistencia al aula, participación en la
exposición y el análisis de los temas. De la participación y reporte en visitas a Centros
de Investigación e Industria.
ƒ Exposición y defensa en el aula de los resultados obtenidos en su proyecto de
caracterización de material selecto.
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Microscopía óptica
Competencia específica a desarrollar
Conocer
los principios de
formación de imágenes en el
microscopio óptico, sus principales
componentes, sus aplicaciones
para la determinación de la
microestructura
de materiales
diversos.
Preparar muestras metalográficas
para su observación en el MO, su
interpretación y análisis
Actividades de Aprendizaje
•
Investigar y discutir los principios que
rigen la formación de imágenes en el
ojo humano, en lentes simples y
compuestos para la caracterización
de la imagen formada.
•
Calcular y comparar los aumentos en:
Lente simples y en el microscopio
óptico
•
Distinguir los conceptos de: Distancia
focal , Eje óptico, Rayos focales,
Rayos paralelos
Identificar las partes fundamentales
en el microscopio
Investigar la longitud de onda de
filtros de diferentes colores y calcular
el poder de resolución.
Seleccionar el tipo de objetivo y
oculares para realizar observaciones
con bajos y altos aumentos.
Observar la profundidad de foco de
objetivos diferentes
Realizar prácticas de calibración de
aumentos a través del microscopio en
micrómetro objeto.
Preparar muestras metalográficas
para su observación
Analizar y discutir de los resultados en
muestras observadas o de ejemplos
de proporcionados por el profesor
•
•
•
•
•
•
•
Unidad 2: Técnicas de difracción de rayos X
Competencia específica a desarrollar
Aplicar los principios de la
difracción de los rayos X para el
estudio de la estructura cristalina
de un material.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Investigar y discutir la clasificación y
características de las radiaciones en
función de la longitud de onda.
Analizar la interacción de los rayos X con
la materia.
Describir el fundamento del espectro de
rayos X.
Demostrar la Ley de Bragg y su
significado físico.
Describir el efecto del contenido atómico
de los cristales en la difracción de rayos X
a través del factor de estructura.
Estimar y comparar las condiciones de
reflexión y de extinción específica para
diferentes estructuras cristalinas.
Discutir los principios de utilización de las
técnicas de Laue y Debye- Scherrer.
Identificar en el difractómetro de rayos X,
sus partes fundamentales.
Indexar e interpreta los patrones de
difracción.
Aplicar la técnica de difracción de los
rayos X en los materiales
Realizar el refinamiento de patrones de
difracción de rayos X
Unidad 3: Microscopía electrónica de barrido
Competencia específica a desarrollar
Comprender
y
aplicar
los
principios del funcionamiento del
MEB para la caracterización de un
material
•
•
•
•
•
Actividades de Aprendizaje
Actividades de Aprendizaje
Investigar el funcionamiento de cada una
de las partes que constituyen el MEB.
Analizar la trayectoria del haz de
electrones dentro de la columna del
microscopio, desde su generación hasta
el impacto sobre la muestra.
Identificar la función de los lentes en el
MEB.
Interpretar la interacción del haz de
electrones primarios con la muestra.
Comprender la formación de los
•
•
•
•
diferentes tipos de imágenes y de
contraste, interpretar las imágenes.
Identificar las imágenes obtenidas usando
electrones secundarios, retrodispersados
y de rayos X.
Preparar muestras de diferentes tipos de
materiales para su análisis en el MEB
Investiga rel funcionamiento de los
espectrómetros de dispersión de longitud
de onda y de energía de los rayos X.
Examinar los alcances y limitaciones del
MEB.
Unidad 4: Microscopía electrónica de transmisión
Competencia específica a desarrollar
Actividades de Aprendizaje
Comprender
y
aplicar
los
principios del funcionamiento del
MET para la caracterización de un
material
ƒ
ƒ
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Investigar y discutir los principios básicos
del MET.
Describir y aplicar las técnicas para la
preparación de muestras
Comprender los principios de formación
de patrones de difracción e imágenes.
Identificar los factores que afectan el
poder de resolución
Comparar la formación de imágenes en
campo claro y en campo obscuro.
Aplicar los procedimientos de calibración
del MET.
Analizar la difracción de electrones en el
MET, en base a muestras cristalinas y red
recíproca.
Aplicar las reglas de indexación y utilizar
software
Interpretar los patrones de difracción.
Distinguir la interpretación de la teoría
cinemática de contraste en cristales
perfectos e imperfectos.
Comprender la teoría dinámica para la
interpretación
de
imágenes
de
imperfecciones cristalinas.
Analizar el contraste dinámico de los
defectos cristalinos.
Aplicar
la
metodología
en
la
caracterización estructural e identifica los
•
defectos de estructura.
Interpretar imágenes de alta resolución.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Kehl, G. Fundamentos de la Práctica Metalográfica. McGraw – Hill
Girkin, R. Optical Microscopy of Metals.
Van Der Voor. Metallographic Principles. McGraw – Hill
ASM. Metals Hand Book Vol. 8. ASM.
Redd Hill , R. Principios de Metalurgia Física.
Samuels, Leonard . Metallographic Polishing By Mechanical Methods. ASM.
Verhoven, J. D. Fundamentos de Metalurgia Física. Limusa.
Huking, D. W. X – Ray Diffraction by Disordered and Ordered Systems. Pergamon
Press.
9. Cullity Bernard. X – Ray Diffraction. McGraw – Hill.
10. Goldstein, G. Practical Scanning Electron Microscopy. Plenum Press.
11. ASM. Metals Handbook Vol. 9. ASM. Novena edición
12. Datley. C. W. The Scanning Electron Microscopy. Cambridge University Press.
13. Glavert, A. M. Practical Methods in Electron Microscopy Vol. 1.
14. Hall, C. E. Introduction to Electron Microscopy. McGraw – Hill.
15. Proyecto Multinacional de Tecnología de Materiales. Interpretación de Imágenes en
Microscopia Electrónica de Barrido. Buenos Aires, Argentina.
16. Zworkyn, V. K. et. al. Electron Optics and The Electron Microscopy. John Wiley &
Sons.
17. Hirsh, P. B. Electron Microscopy of Crystals. Butterworths.
18. Brooker, G. R., Amelincks. Modern Diffraction and Techniques in Materials Science.
Scanning Electron Microscopy. North Holland.
19. Yacaman, Reyes Gasca, Microscopia Electrónica una visión del microcosmos, EFC.
1995
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Preparación y caracterización microestructural de diversos materiales mediante MO
Metalografía cuantitativa, por Análisis de imágenes
Interpretación de patrones de difracción de difracción de rayos X ó monocristales
Identificación de fases cristalinas mediante por difracción de rayos X de polvos o
materiales policristalinos.
Observación e interpretación de imágenes obtenidas por electrones secundarios,
retrodispersados y microanálisis cuantitativo utilizando el microscopio electrónico de
barrido.
Preparación de muestras para el microscopio electrónico de transmisión.
Obtención de imágenes y patrones de difracción en el MET. Indexación de patrones
de difracción de área selecta
Proyecto de Caracterización Microestructural, donde analiza las modificaciones
generadas por tratamientos termo-químicos y/o termo-mecánicos a un material selecto
y las relaciona con las propiedades mecánicas.