2. Бериллиевые сплавы

Основные трудности при получении бериллиевых сплавов связаны с его недостатками: большой хрупкостью и высокой стоимостью.

Главная сложность при легировании бериллия, как было указано ра­нее, обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элемен­тов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наиболь­шее распространение получили сплавы бериллия с практически нерас­творимым в нем при 20 °С алюминием. На диаграмме состояния АБ - Ве (рис. 14.15) видно, что при 20 °С бериллий практически нерастворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации 2,5 % Ве состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жест­кость (рис. 14.16).

П

300 —^{1 1 1 1 |}-

А1 10 30 50 70 80

► Ве, %

Рис. 14.15. Диаграмма состояния А1 - Ве

Рис. 14.16. Зависимость механи­ческих свойств сплавов А1 — Ве от содержания бериллия

ромышленное применение получили сплавы, содержащие 5 - 80 % Ве. Согласно равновесной диаграмме состояния, все эти сплавы — заэв- тектические. В неравновесных условиях кристаллизации эвтектический бериллий формируется на дендритах первичного бериллия как на гото­вой подложке. Эвтектика как бы «вырождается» и структура сплавов состоит из матрицы, представляющей собой мягкую, пластичную фазу практически чистого алюминия, и включений частиц твердого и хрупко­го бериллия.

Сплавы пластичнее и поэтому технологичнее чистого бериллия; они обладают высокими прочностными свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24 % А1 (остальное Ве), характеризуется следующими свой­ствами: = 620 МПа; офг = 510 МПа; 6 = 3%, Е = 260 ГПа.

Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми в берил- лиевой фазе, ухудшает свойства этой фазы и сплавов в целом, а элемен­тами, растворимыми в алюминиевой фазе, улучшает свойства сплавов. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет дополнительное ле­гирование магнием в пределах его растворимости в алюминии. Однако значительный эффект упрочнения (рис. 14.17, а) при одновременном по­вышении пластичности наблюдается у сплавов с малым количеством бе­риллия. При содержании в сплаве более 70 % Ве резко ухудшается пла­стичность (рис. 14.17,6) и практически не меняется прочность. Добавка 5 % М§ к сплаву с низким содержанием бериллия (30 %) увеличивает вре­менное сопротивление от 200 до 450 МПа, а относительное удлинение — от 18 до 25 %. Заметно повышается и модуль нормальной упругости (до 150 300 ГПа).

а

Рис. 14.17. Зависимость прочности (а) и относительного удлинения (б) сплавов А1 - Ве (1) и А1 - Ве - М{* (2) от содержания бериллия

Более высокая прочность сплавов системы А1 - Ве - М§ объясняется прежде всего твердорастворным упрочнением основы сплава, представля­ющей собой «-твердый раствор магния в алюминии. Кроме того, мелко­зернистая структура этих сплавов и равномерное распределение частичек практически чистого бериллия вызывают более равномерные деформации при нагружении материала и соответственно одновременное повышение его прочности и пластичности. Значительное снижение пластичности сплавов, содержащих более 70 % Ве, а также сближение значений отно­сительного удлинения этих сплавов как с магнием, так и без него, объ­ясняется уменьшением более чем в 2 раза количества пластичной алюми­ниевой фазы и повышением роли твердой и хрупкой бериллиевой фазы. В сплавах с малым количеством пластичной алюминиевой фазы (< 25 %) она перестает оказывать пластифицирующее действие и играет роль фак­тора, снижающего прочность и жесткость бериллия. Модули упругости, как видно на рис. 14.16, изменяются по закону аддитивности, как у КМ,

что отвечает структуре сплавов, состоящей из двух резкоотличающихся по свойствам фаз.

В отличие от двойных бериллиевых сплавов, которые спекают и прес­суют из порошков, сплавы с магнием получают сплавлением, а слит­ки подвергают обработке давлением. Сплавы системы А1 - Ве - М§ поставляют в виде деформированных или отожженных полуфабрикатов (<отж = 350.. ,400°С), они хорошо свариваются и рекомендуются для сварных конструкций.

Легирование бериллия элементами, расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации В_е/? (№, Со, Си и др.), увеличивает диапазон горячей обработки давлени­ем. Эти элементы оказывают упрочняющее действие и снижают пластич­ность при 20 °С. Никель (< 0,5 %) и кальций (< 1 %) вызывают увеличе­ние прочности при повышенных температурах. Однако более высокими показателями в этом случае обладает полученный порошковой технологи­ей бериллий с повышенным содержанием оксида ВеО (до 4 %).

Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называе­мые бериллиды. Они представляют собой интерметаллидные соедине­ния бериллия с переходными металлами (Та, N5, Ът и др.). Бериллиды имеют высокую температуру плавления (~ 2000 °С), высокую твердость (500 - 1000 НУ), жесткость (Е и 300 ... 350 ГПа) при сравнительно низкой плотности (~ 2,7 ... 5 г/см³). Однако бериллиды очень хрупкие. Из них изготовляют порошковой технологией мелкие несложные по форме детали для гироскопов и систем управления.