4.4 Бериллий и сплавы на его основе

4.4.1 Свойства бериллия

Бериллий – металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Ве_α, существующая до 1250°С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,2286 нм; с = 0,3584 нм. Высокотемпературная модификация бериллия Ве_β (1250…1284°С) кристаллизуется с образованием объемно-центрированной кубической решетки.

Бериллий относится к числу редких металлов, поскольку содержание его в земной коре не превышает 0,0005%. Это обстоятельство, а также сложная и дорогая технология извлечения бериллия из руд определяют его высокую стоимость.

По удельной прочности бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе других легких металлов. Удельная жесткость бериллия выше по сравнению не только с легкими металлами, но и с металлами, обладающими более высоким модулем упругости (W и Мо). К тому же, высокий модуль упругости бериллия (Е = 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450°С.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. На хрупкость бериллия большое влияние оказывают примеси. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм) и поэтому почти все примеси искажают его кристаллическую решетку и снижают пластичность. Исключение составляет нерастворимый в бериллии алюминий, который улучшает пластичность и поэтому используется для легирования сплавов на основе бериллия.

Бериллий обладает большой теплотой плавления и очень высокой теплотой испарения. По удельной теплоемкости он в 2,5 раза превосходит алюминий, в 4 раза – титан и в 8 раз – сталь. Теплопроводность бериллия всего лишь на ~12% ниже алюминия.

Вследствие плохой обрабатываемости резанием при изготовлении бериллиевых изделий необходимо применять твердосплавный инструмент. Сваривается бериллий дуговым методом в аргоне, гелии или вакууме.

Помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности и анизотропии свойств, к недостаткам следует отнести токсичность бериллия. Попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание (бериллиоз).

4.4.2 Бериллиевые сплавы

Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажает его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при комнатной температуре алюминием. Эвтектика, которая образуется в системе Al-Be при концентрации алюминия 2,5%, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость.

Промышленное применение получили сплавы, содержащие от 5 до 80% Be, обладающие высокими прочностными свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24% А1 (остальное Be), характеризуется следующими свойствами: σ_в = 620 МПа; σ_0,2 = 510 МПа; δ = 3 %; Е = 260 ГПа.

Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми в бериллиевой 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 при одновременном повышении пластичности наблюдается у сплавов с малым количеством бериллия. При содержании в сплаве более 70 % Be резко ухудшается пластичность и практически не меняется прочность. Добавка 5 % Mg к сплаву с низким содержанием бериллия (30%) увеличивает предел прочности от 200 до 450 МПа, а относительное удлинение – от 18 до 25%. Заметно повышается и модуль нормальной упругости (до 150…300 ГПа).

Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называемые бериллиды. Они представляют собой интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.). Бериллиды имеют высокую температуру плавления (~ 2000°С), высокую твердость (500…1000 HV), жесткость (Е ≈ 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.