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 - -Ве - существует до 1250 °С, имеет ГП-решетку с периодами а =0,2286 нм и с = 0,3584 нм; высокотемпературная модификация - -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 _в,

удельной прочности _в / ( g ) и удельной жесткости

Е / ( g ) легких материалов и высокопрочной стали

Материал	в, Н/мм2	Удельная прочность,в/(*g), км	Удельная жесткость, E/(*g)*10-3, км
1. Бериллий	680	37	16.1
2. Магниевый деформируемый сплав МА 10	430	21	2.3
3. Алюминиевый высокопрочный деформируемый сплав В96	700	23	2.4
4. Титановый сплав ВТ 15	1500	30	2.6
5. Высокопрочная сталь 03Н18К9М5Т	2000	27	2.6

Примечание: Е - модуль нормальной упругости;  - 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: _в =280 - 700 Н/мм², _ = 230 - 680 Н/мм²,  = 2 - 40 %. Литой бериллий со свойственным ему крупным зерном имеет _= 280 Н/мм²,  = 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 (_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 (=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 _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  -излучения.