6 Берилій і сплави на його основі

6.1. Берилій, його властивості і застосування

Берилій - метал сірого кольору, температура плавлення - 1284°С, густина - 1,8 г/см³ (при 25°С). Володіє поліморфізмом. Низькотемпературна модифікація - -Ве - існує до 1250 °С, має ГП-гратку з періодами а =0,2286 нм та с = 0,3584 нм; високотемпературна модифікація - -Ве (1250 - 1284 °С) - має ОЦК- гратку.

Берилій має дуже високі питому міцність і питому жорсткість (табл.6.1), велику теплоємність, гарні теплопровідність і електропровідність (табл.1.2), гарну демпфуючу спроможність, практично не поглинає рентгенівскі промені, слабо поглинає теплові нейтрони, має і інші переваги в порівнянні з іншими кольоровими металами. Як виходить з даних табл. 6.1, за показниками питомої міцністі і жорсткісті берилій переважає навіть сплави титану.

Таблиця 6.1 – Порівнюючі дані щодо межі міцності _в, питомої

міцності _в/(g) і питомої жорсткості Е/(g) легких матеріалів

і високоміцної сталі

Матеріал	в, Н/мм2	Питома міцність, в/(*g), км	Питома жорсткість, E/(*g)*10-3, км
1. Берилій	680	37	16.1
2. Магнієвий деформівний сплав МА 10	430	21	2.3
3. Алюмінієвий високоміцний деформівний сплав В 96	700	23	2.4
4. Титановий сплав ВТ 15	1500	30	2.6
5. Високоміцна сталь 03Н18К9М5Т	2000	27	2.6

Примітка: Е - модуль нормальної пружності;  -густина; g - прискорення вільного падіння.

До основних недоліків берилія відносяться наступні:

- невеликий вміст у земній корі його основного промислового мінерала - берила (3BeO x Al2O3 x 6SiO₂ ) - біля 0,0005 %;

- хімічна інертність, що ускладнює його металургію, робить її занадто вартісною і, відповідно, напівфабрикати і вироби з берилію мають високу вартість;

- невисока пластичність, що обумовлено природою кристалів с ГП- граткою, формуванням крупнозернистої і крихкої структури литого металу; його прокатку виконують у нагрітому стані, однак, при температурі деформації вищої за 700°С берилій “схоплюється” з інструментом і для запобігання цьому його деформують в сталевій оболонці, яку потім стравлюють;

- підвищена токсичність берилію і його сплавів: потрапляючи в легені, він викликає тяжке легеневе захворювання - бериліоз, при потраплянні на кожу викликає зуд, а при потраплянні в ранки - пухлини і язви; тому при роботі з берилієм потрібно дотримуватися спеціальних засобів безпеки;

- анізотропія властивостей.

Механічні властивості берилію залежать від ступеню чистоти, технології виробництва, розміру зерна і інших факторів. Вони змінюються в широких межах: _в =280 - 700 Н/мм², _ = 230 - 680 Н/мм²,  = 2 - 40 %. Литий берилій з властивим йому крупним зерном має _= 280 Н/мм²,  = 2 - 3%. Гарячекатаний напівфабрикат, отриманий зі зливку, має також низькі властивості. Берилій, отриманий методами порошкової металургії, має дрібнозернисту структуру і більш високі механічні властивості, у тому числі і пластичність. Чим дрібніше зерно, тим вищим буде його механічних властивостей при 20°С. Чистий спечений берилій з надзвичайно дрібнозернистою структурою (Д=1...3 мкм) має схильність до надпластичності: при температурі 600...700°С і малих швидкостях деформації відносне подовження досягає 300 %. Більш висока пластичність спечених з порошків блоків дозволяє піддавати їх не тільки гарячій обробці тиском, але й “теплій” деформації при температурі 400...500°С, яка помітно нижче температури його рекристалізації (Трекр.=700°С), що дозволяє зберегти ефект наклепу і отримати високу міцність (_B =650...700 Н/мм²).

Вироби з берилію в дійсний час отримують не тільки традиційними методами прокатування і кування, але й, наприклад, методом гарячего видавлювання спеченого металу (текстуровані прутки) з подальшою поперечною прокаткою таких прутків у штаби. Зварюється берилій дуговим методом у середовищі аргону, гелію або у вакуумі. Вироби зі спечених блоків можна виготовляти і різанням на станках з застосуванням твердосплавного інструменту, однак, оброблюваємість різанням у берилія невисока.

Властивості берилію в значній мірі визначаються присутністю домішок. Так, берилій высокої чистоти, отриманий методом зонної плавки за 8 проходів, має надзвичайно високу пластичність (=140%). Однак, введення в нього усього 0,001 % кремнию викликає його окрихчення. Берилій має невеликий атомний радіус (0,113 нм) і тому майже всі домішки, багато з яких обмежено розчиняються у ньому (Fe, Ni, Cr і ін.) спотворюють його кристалічну гратку і знижують пластичність. Алюміній не розчинюється у берилії, поліпшує його пластичність і тому використовується для легування сплавів берилію.

Основні галузі застосування берилію обумовлюються насамперед унікальністю його властивостей.

Берилій є одним з найкращіх матеріалів для деталей і конструкцій літаків і ракет, від вимагаються жорсткість і низька маса: консолей крил, елеронів, тяг управління надзвукових літаків, панелей обшивки, з’єднуючих елементів, приборніх стійок ракет та ін. За показниками питомої міцності берилій випереджає високоміцні сталі і всі сплави на основі Mg, Al, Ti, а за значеннями питомої жорсткості - і метали з більш висою межею пружності - W и Mo.

Високі питомі міцність і жорсткість дроту з берилію діаметром у кілька мкм при _B =1300 Н/мм² дозволяють використовувати її для армування композиційних матеріалів на основі алюмінію, титану та інших металів для використання в ракетній і космічній техніці.

Берилій характеризується великою прихованою теплотою плавління і дуже високою прихованою теплотою випаровування, високою питомою теплоємністю (в 2,5 рази більшою, ніж у алюмінія, в 4 рази більшою, ніж у титана і в 8 раз більшою, ніж у сталі), за показниками електропровідністі і теплопровідністі стоїть за алюмінієм (табл. 1.2). Завдяки цьому берилій з успіхом застосовується у якості теплозахисного матеріалу в ракетній і космічній техніці (головні частини ракет, передні кромки крил надзвукових літаків, оболонок кабін космонавтів).

Високий модуль пружності при малій густині забезпечує берилію стійкість до резонансних коливань, гарний опір втомним руйнуванням, велику швидкість розповсюдження ультразвуку (в 2,5 рази большу, ніж у сталі) дозволяють використовувати його у двигунобудуванні і акустичній техніці.

Сполучення високої питомої жосткості, розмірної стабільністі, теплопровідністі, близького до сталі температурного коефіцієнту лінійного розширення роблять берилій незамінним матеріалом для відповідальних деталей високоточних приладів - інерційних систем навігації для ракет, літаків, підводних човнів, деталей гідростабілізованих платформ і гіроскопів та ін.

Слабке поглинання теплових нейтронів длзволяє використовувати його у якості конструкційного матеріалу у атомній техніці. Слабке поглинання рентгенівського випромінювання (в 17 разів слабше, ніж алюміній) дозволяє використовувати берилій як матеріал для виготовлення рентгенівських трубок (“вікна” та інші елементи). Крім того, берилій використовують як джерело  - випромінювання.