4.4 Берилій і сплави на його основі

4.4.1 Властивості берилію

Берилій – метал сірого кольору, що володіє поліморфізмом. Низькотемпературна модифікація Ве_α, існуюча до 1250°С, має гексагональну щільно упаковані грати з періодами а  =  0,2286 Нм; с  =  0,3584 Нм. Високотемпературна модифікація берилію Ве_β (1250…1284°С) кристалізується з утворенням об'ємноцентрованих кубічних грат.

Берилій відноситься до числа рідкісних металів, оскільки вміст його в земній корі не перевищує 0,0005%. Це обставина, а також складна і дорога технологія витягання берилію з руд визначають його високу вартість.

За питомою міцністю берилій перевершує високоміцні сталі і всі сплави на основі інших легких металів. Питома жорсткість берилію вища у порівнянні не тільки з легкими металами, але і з металами, що володіють вищим модулем пружності (W і Мо). До того ж, високий модуль пружності берилію (Е = 310 ГПа) мало змінюється при збільшенні температури до 450°С.

Механічні властивості берилію залежать від ступеня чистоти, технології виробництва, розміру зерна і наявності текстури. На крихкість берилію великий вплив роблять домішки. Берилій має невеликий атомний радіус (0,113 Нм) і тому майже всі домішки спотворюють його кристалічні грати і знижують пластичність. Виключення складає нерозчинний в берилії алюміній, який покращує пластичність і тому використовується для легування сплавів на основі берилію.

Берилій володіє великою теплотою плавлення і дуже високою теплотою випаровування. За питомою теплоємністю він в 2,5 рази перевершує алюміній, в 4 рази – титан і в 8 разів – сталь. Теплопровідність берилію всього лише на ~12% нижче за алюміній.

Унаслідок поганого оброблювання різанням при виготовленні берилієвих виробів необхідно застосовувати твердосплавний інструмент. Зварюється берилій дуговим методом в аргоні, гелії або вакуумі.

Крім високої вартості, малої пластичності, низької технологічності та анізотропії властивостей, до недоліків слід віднести токсичність берилію. Потрапляючи в легені, він викликає важке легеневе захворювання (берілліоз).

4.4.2 Берилієві сплави

Більшість елементів, розчиняючись в берилії, спотворює його кристалічні грати, внаслідок чого збільшується його крихкість. У зв'язку з цим найбільшого поширення набули сплави берилію з практично нерозчинним в ньому при кімнатній температурі алюмінієм. Евтектика, яка утворюється в системі Al-Be при концентрації алюмінію 2,5%, складається з майже чистого алюмінію з незначною кількістю берилію і характеризується високою пластичністю. Чим більше міститься в сплавах берилію, тим вище їх міцність і жорсткість.

Промислове застосування одержали сплави, що містять від 5 до 80% Be, володіючи високими зміцнюючими властивостями і жорсткістю. Так, сплав, що містить 24% А1 (інше Be), характеризується наступними властивостями: σ_в = 620 МПа; σ_0,2 = 510 МПа; δ = 3 %; Е = 260 ГПа.

Легування подвійних сплавів елементами, розчинними в берилієвій фазі, погіршує властивості цієї фази і сплавів в цілому, а елементами, розчинними в алюмінієвій фазі, покращує властивості сплавів. Найсприятливіше на властивості сплавів впливає додаткове легування магнієм в межах його розчинності в алюмінії. Проте значний ефект зміцнення при одночасному підвищенні пластичності спостерігається у сплавів з малою кількістю берилію. При вмісті в сплаві більше 70 % Be різко погіршується пластичність і практично не міняється міцність. Добавка 5 % Mg до сплаву з низьким вмістом берилію (30%) збільшує межу міцності від 200 до 450  МПа, а відносне подовження – від 18 до 25%. Помітно підвищується і модуль нормальної пружності (до 150…300 ГПа).

Зберігають міцність до дуже високої температури так звані берілліди. Вони є інтерметалідними з'єднаннями берилію з перехідними металами (Та, Nb, Zr й ін.). Берілліди мають високу температуру плавлення (~  2000°С), високу твердість (500…1000 HV), жорсткість (Е=300...350 ГПа) при порівняно низькій густині (~ 2,7...5 г/см³). Проте берілліди дуже крихкі. З них виготовляють порошковою технологією дрібні і нескладні за формою деталі для гіроскопів і систем управління.