Бериллий и сплавы на его основе

6  бериллий  и  сплавы  на  его  основе

6.1. Бериллий, его свойства и применение

         Бериллий - металл серого цвета, температура плавления - 1284°С, плотность - 1,8 г/см³ (при 25°С). Обладает полиморфизмом. Низкотемпературная модификация -  a-Ве - существует до 1250 °С, имеет ГП-решетку с периодами      а =0,2286 нм и с = 0,3584 нм; высокотемпературная модификация -  b-Ве  (1250 - 1284 °С) - имеет ОЦК-решетку.

         Бериллий имеет очень высокие удельные прочность и жесткость (табл.6.1), большую теплоемкость, хорошие теплопроводность и электропроводность (табл.1.2), хорошую демпфирующую способность, практически не поглощает рентгеновские лучи, слабо поглощает тепловые нейтроны, имеет и другие преимущества по сравнению с прочими цветными металлами. Как следует из данных табл. 6.1, по показателям удельной прочности и жесткости бериллий превосходит даже сплавы титана.

         Таблица 6.1 - Сравнительные данные о пределе прочности  s_в,

                                  удельной прочности  s_в / ( rg ) и удельной жесткости

                                  Е / ( rg ) легких материалов и высокопрочной стали

Примечание:  Е - модуль нормальной упругости;  r - плотность;

                         g  - ускорение свободного падения.

         К основным недостаткам бериллия относятся следующие:

- небольшое содержание в земной коре его основного промышленного минерала - берилла  (3BeO x Al2O3 x 6SiO₂ ) - около 0,0005 %;

- химическая инертность, что усложняет его металлургию, делает ее дорогой и, следовательно, полуфабрикаты и изделия из бериллия обладают высокой стоимостью;

- невысокая пластичность, связанная с природой кристаллов с ГП-решеткой, формированием крупнозернистой и хрупкой структуры литого металла; его прокатку ведут при нагреве, однако, при температуре деформации выше 700°С бериллий “схватывается” с инструментом и для предотвращения этого его прокатывают в стальной оболочке, которую затем стравливают;

- повышенная токсичность бериллия и его сплавов: попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание - бериллиоз, при попадании на кожу вызывает зуд, а при попадании в ранки - опухоли и язвы; поэтому при работе с бериллием требуется соблюдать специальные меры безопасности;

- анизотропия свойств.

         Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и других факторов. Они изменяются в широких пределах: s_в =280 - 700 Н/мм², s_0,2 = 230 - 680 Н/мм², d =  2 - 40 %. Литой бериллий со свойственным ему крупным зерном имеет  s_0,2= 280 Н/мм², d = 2 - 3%. Горячекатаный полуфабрикат, полученный из слитка, обладает также низкими свойствами. Бериллий, полученный методами порошковой металлургии, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем выше комплекс его механических свойств при 20 °С. Чистый спеченный бериллий с чрезвычайно мелкозернистой структурой  (Д=1 - 3 мкм) обладает склонностью к сверхпластичности: при температуре 600 - 700 °С и малых скоростях деформации относительное удлинение достигает 300 %. Более высокая пластичность спеченных из порошков блоков позволяет подвергать их не только горячей обработке давлением, но и “теплой” деформации при температуре 400 - 500 °С, которая заметно ниже температуры его рекристаллизации  (Трекр.=700 °С), что позволяет сохранить наклеп и получить высокую прочность (s_B =650 - 700 Н/мм²).

         Изделия из бериллия в настоящее время получают не только традиционными методами прокатки и ковки, но и, например, методом горячего выдавливания спеченного металла (текстурированные прутки) с последующей поперечной прокаткой таких прутков в листы. Сваривается бериллий дуговым методом в среде аргона, гелия или в вакууме. Изделия из спеченных блоков можно изготавливать и резанием на станках с применением твердосплавного инструмента, однако, обрабатываемость резанием у бериллия невысокая.

         Свойства бериллия в значительной мере определяются присутствием примесей. Так, бериллий высокой чистоты, полученный методом зонной плавки за 8 проходов, имеет чрезвычайно высокую пластичность  (d=140 %). Однако, введение в него всего 0,001 % кремния вызывает его охрупчивание. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм) и поэтому почти все примеси, многие из которых ограниченно растворимы в нем  (Fe, Ni, Cr  и др.) искажают его кристаллическую решетку и снижают пластичность. Алюминий не растворяется в бериллии, улучшает его пластичность и поэтому используется для легирования сплавов бериллия.

         Основные области применения бериллия определяются зачастую уникальностью его свойств.

         Бериллий является одним из лучших материалов для деталей и конструкций самолетов и ракет, от которых требуются жесткость и низкая масса: консолей крыльев, элеронов, тяг управления сверхзвуковых самолетов, панелей обшивки, соединительных элементов, приборных стоек ракет и др. По удельным прочности и жесткости бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе  Mg, Al, Ti, а по удельной жесткости - и металлы с более высоким пределом упругости - W и Mo.

         Высокие удельные прочность и жесткость проволоки из бериллия диаметром в несколько мкм при  s_B =1300 Н/мм² позволяют использовать ее для армирования композиционных материалов на основе алюминия, титана и других металлов для использования в ракетной и космической технике.

         Бериллий обладает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения, высокой удельной теплоемкостью (в 2,5 раза большей, чем у алюминия, в 4 раза большей, чем у титана и в 8 раз большей, чем у стали), по электропроводности и теплопроводности стоит за алюминием (табл. 1.2). Благодаря этому бериллий успешно применяется в качестве теплозащитного материала в ракетной и космической технике (головные части ракет, передние кромки крыльев сверхзвуковых самолетов, оболочки кабин космонавтов).

         Высокий модуль упругости при малой плотности обеспечивает бериллию стойкость к резонансным колебаниям, хорошее сопротивление усталостным разрушениям, большую скорость распространения ультразвука (в 2,5 раза больше, чем у стали) позволяют использовать его в двигателестроении и акустической технике.

         Сочетание высокой удельной жесткости, размерной стабильности, теплопроводности, близкого к стали температурного коэффициента линейного расширения делают бериллий незаменимым материалом для ответственных деталей высокоточных приборов - инерционных систем навигации для ракет, самолетов, подводных лодок, деталей гидростабилизированных платформ и гироскопов и др.

         Слабое поглощение тепловых нейтронов позволяет использовать его в качестве конструкционного материала в атомной технике. Слабое поглощение рентгеновских лучей (в 17 раз слабее, чем алюминий) позволяет использовать бериллий как материал для изготовления рентгеновских трубок (“окна” и другие элементы). Кроме того, бериллий используется как источник  a -излучения.

Обратите внимание на лекцию "8 Культура Тульского края в XIX веке (продолжение)".

6.2. Сплавы на основе бериллия

         Наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20°С алюминием. Алюминий с бериллием образуют простую диаграмму состояния эвтектического типа, в которой эвтектическая точка соответствует 2,5 % Ве. Поэтому эвтектика представляет собой кристаллы почти чистого алюминия с небольшим количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость.

         Практическое применение нашли сплавы, содержащие 20-40 % алюминия. Они имеют структуру, состоящую из мягкой, пластичной эвтектики и твердых, хрупких включений первичного бериллия, Такие сплавы пластичнее и технологичнее чистого бериллия и обладают высокой прочностью и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24 % алюминия (остальное - бериллий), характеризуется следующими свойствами: s_B=620 Н/мм²,s_0,2=510Н/мм²,  d = 3%,  Е=260 Г Па.

         Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми в бериллии, ухудшает свойства сплава, а элементами, растворимыми в алюминии - наоборот, улучшает их свойства. Наиболее благоприятное влияние на свойства сплавов бериллия с алюминием оказывает легирование магнием (в пределах его растворимости в алюминии). В сплавах с малым содержанием бериллия (не более 70 %, чаще - 30-50 %) легирование магнием обеспечивает значительный эффект упрочнения (например, в 2-2,25 раза для сплава с 30 %  Ве при вводе 5 % магния) при одновременном повышении пластичности (в 1,3-1,5 раза) и модуля нормальной упругости. При содержании в сплаве более 70% Ве  дополнительное легирование его магнием практически не влияет на прочность, но резко снижает его пластичность. В отличие от двойных сплавов бериллия с алюминием, которые спекают и прессуют из порошков, сплавы с магнием получают сплавлением с последующей обработкой слитков давлением.

         Легирование бериллия элементами, расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной его модификации -  b -Ве  (Ni, Co, Cu и др.), увеличивает температурный диапазон горячей обработки давлением, способствует упрочнению сплава и снижению его пластичности при 20 °С. Никель (до 0,5%) и кальций (до 1%) вызывают увеличение прочности сплавов при повышенных температурах. Однако, более высокими показателями в этом случае обладает бериллий, полученный методами порошковой металлургии с повышенным содержанием окисла ВеО (до 4%).

         Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называемые бериллиды. Они представляют собой интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Ta, Nb, Zr  и др.). Бериллиды имеют высокую температуру плавления (около 2000 °С), высокую твердость  (НV  5000-10000), высокую жесткость  (Е около 300-350 ГПа) при сравнительно низкой плотности (2,7 - 5 г/см³). Однако, они являются очень хрупкими. Их используют для изготовления методами порошковой металлургии мелких несложных по форме деталей для гироскопов и систем управления.