13.2. Бериллий и сплавы на его основе

Бериллий

Бериллий - металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами нм; нм; высокотемпературная -решетку объемно-центрированного куба. Физические свойства бериллия приведены в табл. 1.5.

Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости (см. табл. 12.1) бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, демпфирующей способностью и другими ценными свойствами.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двойной силикат бериллия и алюминия Содержание в земной коре бериллия небольшое - 0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлечения из руд, получения из него полуфабрикатов и изделий определяют высокую стоимость бериллия.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки, полученные вакуумной переплавкой, либо обрабатывают давлением для получения полуфабрикатов, либо перерабатывают в порошок, из которого полуфабрикаты и изделия изготовляют методом порошковой металлургии. Обработке давлением подвергают лишь малые слитки мм), так как в слитках большого размера из-за высокого поверхностного натяжения образуются две усадочные раковины, соединенные трещиной.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше бериллий «схватывается» с инструментом. Поэтому его прокатывают в стальной оболочке, которую затем стравливают.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Они изменяются в широких пределах: литой бериллий со свойственным ему крупным зерном имеет Горячекатаный полуфабрикат, полученный из слитка, обладает также низкими свойствами. По относительному удлинению вдоль прокатки он близок к литому состоянию, в поперечном направлении имеет близкую к нулю пластичность. Помимо размера зерна на пластичность бериллия влияют его структурные особенности. Гексагональная структура характеризуется отношением периодов решетки при котором базисная плоскость не единственно возможная плоскость скольжения. Другими плоскостями скольжения в гексагональной плотноупакованной решетке являются плоскости призмы и пирамидальные плоскости, что обеспечивает таким металлам, как титан и цирконий, хорошую пластичность. Однако критическое напряжение, необходимое для сдвига в плоскости призмы, у бериллия при так велико (рис. 13.11), что скольжение при деформации идет только по плоскости базиса.

Рис. 13.11. Критическое напряжение сдвига для монокристалла бериллия: 1 — базисная плоскость; 2 — плоскость призмы

Этим отчасти и объясняется высокая хрупкость бериллия. На хрупкость бериллия большое влияние оказывают примеси. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм), и поэтому почти все примеси, многие из которых ограниченно растворимы в бериллии ( и др.), искажают его кристаллическую решетку и снижают пластичность. Исключение составляет нерастворимый в бериллии алюминий, который улучшает пластичность и поэтому используется для легирования сплавов на основе бериллия. Согласно зарубежным данным, бериллий, полученный методом зонной плавки за восемь проходов, имеет чрезвычайно высокую пластичность Введение в зонно-очищенный бериллий всего вызывает его хрупкость.

Бериллий, полученный методами порошковой металлургии, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем выше временное сопротивление, предел текучести и пластичность при а также кратковременная прочность при повышенных температурах (рис. 13.12).

Рис. 13.12. Зависимость механических свойств горячепрессованного бериллия от размера зерна и температуры испытания

Увеличение прочностных свойств объясняется измельчением зерна и наличием неизбежно присутствующих в порошковом материале дисперсных включений оксида бериллия повышающих сопротивление пластической деформации. Рост пластичности от измельчения зерна настолько значителен, что перекрывает ее снижение из-за повышения содержания оксида при измельчении исходного порошка. Для того чтобы увеличить пластичность порошковых полуфабрикатов, размол порошков бериллия ведут в безокислительной среде. Чистый спеченный бериллий с чрезвычайно мелкозернистой структурой ( мкм) обладает склонностью к сверхпластичности. При температуре и малых скоростях деформаций пластичность . Более высокая пластичность спеченных из порошков блоков позволяет подвергать их не только горячей обработке давлением, но и тепловой обработке при температуре 400-500 °С. Эта температура ниже температуры рекристаллизации бериллия поэтому позволяет сохранить наклеп и получить высокую прочность .

Пластичность полуфабрикатов из спеченного бериллия в большей степени зависит и от технологии горячей обработки давлением. В настоящее время разработана технология получения текстурованных прутков методом горячего выдавливания спеченного бериллия. Прутки бериллия имеют текстуру базисной плоскости и пластичность На листах бериллия, полученных поперечной прокаткой этих прутков, текстура базисной плоскости сохраняется, и такой бериллий имеет пластичность . В том и другом случае базисная плоскость ориентируется вдоль оси прутка или в плоскости листа, поэтому при растяжении касательные напряжения в них равны нулю. Скольжение идет по плоскостям призмы, число которых в гексагональной решетке поликристаллического бериллия

Рис. 13.13. Зависимость удельной жесткости различных материалов от температуры: 1 — бериллий; 2 — КМ эпоксидная матрица — углеродное волокно; 3 — КМ эпоксидная матрица - волокно бора; 4 — сталь; 5 — титановые сплавы; 6 — алюминиевые сплавы; 7 - магниевые сплавы

значительно больше, чем базисных, что и обеспечивает хорошую пластичность. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, пластичность уменьшается до нуля.

Изделия из спеченных блоков можно также изготовлять на металлорежущих станках, однако вследствие плохой обрабатываемости резанием необходимо применять твердосплавный инструмент. Сваривается бериллий дуговым методом в аргоне, гелии или вакууме.

Помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности и анизотропии свойств к недостаткам следует отнести токсичность бериллия. Попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание (бериллиоз). На коже бериллиевая пыль, мелкие частицы вызывают зуд, а попадая в ранки - опухоли и язвы. В связи с этим обработку бериллия на металлорежущих станках проводят в специальных помещениях и в специальных пылезащитных костюмах и масках. При работе с бериллием необходимо тщательно выполнять правила техники безопасности.

По удельным прочности (см. табл. 12.1) и жесткости (рис. 13.13) бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов а по удельной жесткости и металлы, обладающие более высоким модулем упругости и К тому же высокий модуль упругости бериллия мало изменяется при увеличении температуры до 450° С. Вот почему бериллий является одним из лучших материалов для деталей конструкций, где особо важны собственная масса конструкции, жесткость ее силовых элементов. Расчеты показали, что самолет, изготовленный на 80% из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из алюминия. При этом на 40% увеличивается дальность полета и значительно повышается грузоподъемность самолета. Бериллий применяют в консолях крыльев, элеронах, тягах управления и других деталях сверхзвуковых самолетов, в ракетной технике из него изготовляют панели обшивки, промежуточные отсеки, соединительные элементы, приборные стойки и др. Высокие удельные жесткость и особенно прочность проволоки диаметром несколько микрометров открывают еще одну область применения бериллия - армирование композиционных материалов на основе и др., которые находят большое применение в ракетной и космической технике.

Бериллий обладает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения. По удельной теплоемкости он в 2,5 раза превосходит алюминий, в 4 раза - титан и в 8 раз - сталь, по электропроводимости и теплопроводности стоит за алюминием, уступая ему в теплопроводности только Все эти свойства способствуют успешному применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной и особенно космической технике (головные части ракет, передние кромки крыльев сверхзвуковых самолетов, оболочки кабин космонавтов).

Рис. 13.14. Диаграмма состояния

Высокий модуль упругости при малой плотности обеспечивает бериллию стойкость к резонансным колебаниям, хорошее сопротивление усталостным разрушениям, большую скорость распространения звука (в 2,5 раза больше, чем в стали). Отсюда новые области применения: соответственно, двигателестроение, акустическая техника.

Сочетание высокой удельной жесткости, размерной стабильности, теплопроводности, а также близкий к стали температурный коэффициент линейного расширения делают бериллий незаменимым материалом для ответственных деталей высокоточных приборов. Его применяют в инерциальных системах навигации для ракет, самолетов, подводных лодок. Из него изготовляют детали гиростабилизированных платформ и гироскопов.

Применение бериллия как конструкционного материала в атомной технике вызвано его способностью слабо поглощать тепловые нейтроны (см. п. 14.5).

Кроме того, бериллий используют как источник -излучения, а также как конструкционный материал при изготовлении рентгеновских трубок. Бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи (в 17 раз хуже, чем алюминий).