2. Бериллий и его сплавы

Ключевые слова: бериллий, высокомодульные,жаропрочные и коррозионностойкие сплавы, механизмы деформации,бериллиды

Весьма перспективным конструкционным материалом для авиации, приборостроения, космической и атомной техники является бериллий. Важнейшее достоинство бериллия заключается в сочетании весьма высокого модуля упругости (Е = 310 ГПа) с низкой плотностью (1,84 г/см³). Модуль упругости бериллия примерно в 7 раз больше, чем у магния, и близок к модулю упругости молибдена плотностью 10,2 г/см³ и слабо зависит от температуры до 500 °С.

Бериллий превосходит многие металлы по удельной прочности и жесткости. Он обладает также высокой удельной теплоемкостью, тепло- и электропроводностью. У бериллия достаточно высокие показатели коррозионной стойкости, размерной стабильности, сопротивления износу, демпфирующей способности. Близкие к сталям значения температурного коэффициента линейного расширения и, как следствие, хорошая совместимость с ними, способствуют использованию бериллия в точных приборах и устройствах, в которых необходимо соединять разнородные металлы.

Основные недостатки бериллия – токсичность, низкая пластичность и значительная анизотропия механических свойств в полуфабрикатах, полученных обработкой давлением.

2.1. Свойства бериллия

Бериллий – металл серого цвета, по внешнему виду напоминающий сталь, плавится при температуре 1287 °С. У бериллия очень малый атомный диаметр – 0,226 нм. Он относится к металлам, обладающим полиморфизмом. α-Ве имеет гексагональную решетку и существует до 1250 °С, параметры решетки a = 0,22855 нм, с = 0,36840 нм, с/а = 1,568. β-Ве существует в интервале 1250…1287 °С и имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Бериллий отличается очень высокой скрытой теплотой – 1152 Дж/г. Для расплавления такого же количества стали нужно в 3,3 раза меньше тепла. Удельная теплоемкость бериллия в 2,5 раза выше, чем у алюминия, и в 8 раз выше, чем у стали. По электро- и теплопроводности бериллий уступает лишь серебру, меди, золоту и алюминию.

Бериллий – диамагнитный металл. Он очень слабо поглощает рентгеновские лучи. Проницаемость бериллия рентгеновскими лучами в 17 раз больше, чем проницаемость алюминия.

При комнатной температуре бериллий устойчив в сухой атмосфере, но во влажном воздухе медленно окисляется. При нагреве в воздушной атмосфере до температур примерно 600 °С бериллий окисляется незначительно.

Механические свойства существенно зависят от чистоты и способов получения полуфабрикатов. Временное сопротивление разрыву бериллия, полученного из разного исходного материала различными способами, колеблется от 300 до 1000 МПа, а относительное удлинение меняется в пределах от 2,5 до 40 %, причем повышение прочностных характеристик не всегда сопровождается понижением пластичности.

Отличительная особенность бериллия – его низкая пластичность, что является несколько неожиданной. Соотношение осей с/а для бериллия (с/а = 1,568) немного меньше теоретического значения (1,633), что должно приводить к значительной пластичности. Действительно, для титана и циркония, для которых соотношение осей с/а также меньше теоретического значения, характерны довольно высокие пластические свойства. В отличие от титана и циркония скольжение в бериллии происходит в основном по плоскости базиса {0001} и в меньшей степени по плоскостям призмы {1010}, а двойникование происходит лишь по плоскостям {1012}.

Механические свойства бериллия определяются в основном тремя факторами: чистотой металла, текстурой и величиной зерна. Так как у бериллия небольшие размеры атомов, большинство элементов сильно искажают его решетку и приводят к хрупкости. Так, достаточно ввести в зонно-очищенный бериллий 0,001 % Si, чтобы сделать его хрупким. Даже металл, содержащий 99,9 % Ве, хрупок. Для получения приемлемой пластичности бериллий надо очищать от примесей тщательнее, чем какой-либо другой металл.

В деформированных полуфабрикатах бериллия развивается сильная текстура деформации, которая приводит к большой анизотропии свойств. Так, в прутках, полученных выдавливанием, σ_в в перпендикулярном направлении составляет 0,4…0,6 от _в в направлении выдавливания. Относительное удлинение в направлении выдавливания в десятки раз больше, чем в перпендикулярном направлении.

Сильно деформированный бериллий начинает рекристаллизовываться при 700 °С. Таким образом, у бериллия необычно высокое отношение температуры рекристаллизации к температуре плавления (0,63). Примеси еще больше повышают температуру рекристаллизации. Рекристаллизационный отжиг уменьшает прочность и повышает пластичность бериллия по сравнению с деформированным в теплую материалом. При рекристаллизации текстура деформации не устраняется, поэтому анизотропия свойств не уменьшается.

Механические свойства бериллия, полученного методами порошковой металлургии, определяются размером порошка, содержанием окиси бериллия и примесей. С увеличением содержания окиси ВеО возрастают прочностные и пластические свойства бериллия. Повышение прочностных характеристик бериллия в этом случае обусловлено дисперсным упрочнением и измельчением зерна.

При температурах 600…700 °С у бериллия с ультрамелким зерном (1…3 мкм) проявляются признаки сверхпластичности. При скорости деформации 10^-4 c^-1 параметр скоростной чувствительности m равен 0,5…0,6, а относительное удлинение составляет около 300 %. Образцы разрушаются практически без образования шейки.