XRD - difração de Raios -X - Técnica de análise de materiais

Apresentação técnica de DRX

1. Técnicas de Análises de Materiais
Cristiano Brunetti
XRD
X-Ray Diffraction
Difração de Raios-X

2. Técnicas de Análises de Materiais
Introdução
Raios-X
Histórico
Princípios
O Fenômeno da difração
Aplicação da DRX
O equipamento
Métodos de DRX
Resultados de DRX
Peculiaridades da DRX
Estudo de caso

3. Técnicas de Análises de Materiais
Histórico – Raios-X
Wilhelm Conrad Röntgen
(1845-1923)
Em 1895  Tubo de
“Hittorf-Crookes”
Instituto de Física
de Würzburg
Tubo de raios catódicos

4. Técnicas de Análises de Materiais
Primeira radiografia mão da esposa
Anna Bertha
Radiografia do
rifle de caça
Trinca!!!
Antecipação do uso industrial
da radiografia no controle de
Qualidade
Histórico – Raios-X

5. Técnicas de Análises de Materiais
 Unidade de radiação ionizante é o Röntgen (R)
No SI 1R = 2,58×10
-4
C/kg
500 R por 5 horas  LETAL PARA HUMANOS
 Em 1901  Prêmio Nobel
 Notou que novos raios eram produzidos quando
impactavam com o objeto
Histórico – Raios-X

6. Técnicas de Análises de Materiais
Raios-X - Princípios
Os raios X podem ser obtidos de 4 formas:
- Pelo bombardeamento de um alvo metálico com um feixe de
elétrons de alta energia (tubo de raios X);
- Pela exposição de uma substância a um feixe primário de raios X
de forma a gerar um feixe secundário de raios X;
- Pelo uso de fontes radioativas cujo processo de decaimento resulta
na emissão de raios X;
- Raios X produzidos a partir de radiação síncrotron.
Cátodo
Filamento de W
Ânodo – Cu
Alvo: W, Cr, Cu, Mo, Rh,
Sc, Ag, Fe e Co.
Raios X ( = 0,1 Å até
100 Å.

7. Técnicas de Análises de Materiais
Raios-X - Princípios
A radiação emitida representa a superposição de dois espectros
sendo:
- Contínuo: gerado pela desaceleração dos elétrons;
- Característico: comprimento de onda característico do metal
alvo.
Depende de V; Independe do alvo  por exemplo Mo e W

8. Técnicas de Análises de Materiais
Raios-X - Princípios
L
o
g

d
a

e
n
e
r
g
i
a
c
E h


Lembrar que:
 = 0.1 à 100 Å
E = 0,1 à 100 keV

9. Técnicas de Análises de Materiais
 Mostrou que os RC eram carregados eletricamente
 Ninguém sabia o que eram os RX
 O palpite é que eram ondas eletromagnéticas
A prova seria a interferência fenômeno exclusivo
das ondas
J.J. Thompson (1856-1940)
Nobel em 1906
Ilustração esquemática do
experimento de Young
para difração da luz vísivel
O fenômeno da difração

10. Técnicas de Análises de Materiais
O problema era o  (~ 0,1 nm)  tamanho
da fenda
 Sugeriu cristais  planos regulares e
próximos (ZnS)
Max Von Laue (1879-1960)
Nobel em 1914
Ilustração esquemática de um cristal de NaCl
 Em 1912
O fenômeno da difração

11. Técnicas de Análises de Materiais
Do ponto de vista experimental OK!!!!!, mas
Em 1913-14
Willian H. Bragg (1862-1942)
Willian L. Bragg (1890-1971)
Nobel em 1915
O fenômeno da difração
Ocorre a difração Não ocorre a difração

12. Técnicas de Análises de Materiais
Propuseram através de considerações trigonométricas
O fenômeno da difração
2 senn d 

13. Técnicas de Análises de Materiais
Quando a diferença de fase entre as ondas for 0, 1, 2,
3...comprimentos de onda, ocorre interferência construtiva  difração
Quando a diferença de fase entre as ondas for 1/2,
3/2, ...comprimentos de onda, ocorre interferência destrutiva  não
ocorre a difração
O fenômeno da difração

14. Técnicas de Análises de Materiais
Determinação da estrutura cristalina e arranjo dos
átomos;
Identificação quantitativa e qualitativa de compostos
cristalinos presentes em amostra sólida (método de pó);
Ex: KBr+NaCl
Determinação de fases presentes;
Determinação de tensões residuais;
Aplicação da DRX

15. Técnicas de Análises de Materiais
Difratômetro de RX – UFPR (LAMIR)
O equipamento

16. Técnicas de Análises de Materiais
A fonte
O equipamento

17. Técnicas de Análises de Materiais
Goniômetro
O equipamento
S- fonte
A- colimador
C- amostra
H- suporte rotativo
B e F- colimador do detector e/ ou filtro
G- detector
E- suporte detector móvel
Colimadores  absorver toda a
radiação menos a paralela
Monocromadores e filtros 
restringir 
AMOSTRAS SÓLIDAS e PÓS

18. Técnicas de Análises de Materiais
Câmera de Debye-Scherrer
Cu (CFC)
W (CCC)
Zn (HC)
Pós
O equipamento

19. Técnicas de Análises de Materiais
Métodos de DRX
Método Radiação incidenteÂng. Incidência
Método de Laue
(monocristais)
branca (vários λ) fixo
Método do pó
(policristais)
monocromática
(λ fixo)
variável
O método de Laue é aplicado a análise monocristais e
possui aplicação metalúrgica na orientação de
monocristais.
O método do pó possui aplicação ampla em ciência do
materiais, onde o material a ser analisado encontra-se
na forma de pó (partículas finas orientadas ao acaso)
que são expostas aos raios-X.

20. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados da DRX
 Difratograma
Padrão de difração para o
NaCl

21. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados da DRX
 Padrão

22. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados da DRX
 Exemplo de aplicação
Zimba, J. Simbi, D.J., Navara, E. Austempered ductile
iron:an alternative for earth moving components.
Cement & Concrete Composites. Nº 25. 2003. 643-649
Difratograma para um ADI antes e depois de um ensaio de desgaste abrasivo.

23. Técnicas de Análises de Materiais
Peculiaridades da DRX

24. Técnicas de Análises de Materiais
"God made solids, but surfaces were the work
of the Devil."
(1900-1958)

25. Técnicas de Análises de Materiais
Estudo de Caso
Laser Surface Engineering to Improve Wear Resistance of
Austempered Ductile Iron
ROY, A., MANNA, I. Materials Science & Engineering A. nº 297. 2001. 85-93

26. Técnicas de Análises de Materiais
Objetivos
Melhorar a resistência ao desgaste do ADI aplicando
tratamentos de superfície via laser;
Caracterizar a superfície;
Justificativa
ADI  Boas propriedades mas baixa resistência ao
desgaste;
Tratamentos convencionais (e.g. nitretação) não são
adequados

27. Técnicas de Análises de Materiais
Introdução
ADI  1950;
Combinação de resistência, ductilidade e tenacidade;
.....baixa resistência ao desgaste;
Desgaste  qualidade custo de produção

28. Técnicas de Análises de Materiais
Procedimento Experimental

29. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
Dureza Gaussiana???!!!!
Ausência de martensita na superfície
 enriquecida com C  estabilizada
Refusão superficial

30. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
ferro CCC
 ferro CFC
XRD – Mo K = 0,711 Å
25% de retida
57% de retida

31. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
Endurecimento Superficial
Refundiu!!!!

32. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
(200) austenita
retida
A mudança na posição do pico
está relacionada com a % de C
A altura  % de 
XRD – Fe-K = 1,937 Å
LSM – Maior % e maior % de C
LSH - Transformação no estado sólido:   martensita diminue a % de C e %
de 

33. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
(211)ferrit
a
Maior “alargamento” em LSM  maior % de C na ferrita /martensita
XRD – Fe-K = 1,937 Å

34. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
(200) Comparação entre as intensidades  > intensidade > % de  e de C
(211)Comparação entre as intensidades  > intensidade > % de martensita
em LSH
Martensita também é ferro 
Então : 4335 – 2240 = 2095 < 2240

35. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
Trincas se propagam por tensões trativas!!!!!

36. Técnicas de Análises de Materiais
Resultados e discussão
Resultados de desgaste
ADI como recebido Pós tratamento
LSH = 4,12 x 10
7
LSM = 3,53 x 10
7

37. Técnicas de Análises de Materiais
Conclusões
1.LSM  austenita com alto % de C
 perfil de dureza não uniforme
 
res
trativa
2. LSH martensita com % de C menor do que em LSM
perfil de dureza não uniforme

res
compressiva
3. LSM e LSH melhoram a resistência ao desgaste

38. Técnicas de Análises de Materiais
Referências
Sites Visitados (último acesso em 19 de agosto 2006)
http://www.cepa.if.usp.br/e-fisica/apoio/equipamentos.php
http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod05/m_s01.html
http://www.matter.org.uk/diffraction/x%2Dray/x_ray_methods.htm
http://www.searadaciencia.ufc.br/especiais/fisica/raiosx/raiosx-1.htm
http://nobelprize.org/