Бериллий и его сплавы

Бериллий был открыт в 1798 г. французским химиком Вокленом. Воклен выделил только окись металла или, как говорили тога "землю", и убедился, что она дает ряд сладковатых соединений, поэтому и назвал ее "глициной" (от греческого слова "гликос" - сладкий), а сам металл получил название "глициний". Ныне это на­звание сохранилось только во Франции.

Свое нынешнее название элемент №4 получил от основного минерала берилла, который применяется для его производства. С предложением назвать элемент №4 бериллием еще в 1814 году вы­ступил харьковский профессор Ф.И. Гизе.

Бериллий - типично редкий элемент. На тонну земного веще­ства в среднем приходится лишь 4,2 г бериллия. Это очень немного, но и не так уж мало, если вспомнить, что такого известного элемен­та, как свиней, в земной коре вдвое меньше, чем бериллия.

Обычно бериллий встречается как незначительная примесь в различных минералах земной коры. Таких минералов известно бо­лее 30, но промышленное значение приобрел пока что один берилл, который относится к полудрагоценным камням, самым известным среди которых считаются изумруд и аквамарин. _п

Бериллий - это металл серого цвета напоминающий по внеш­нему виду сталь; Кристаллизуется бериллий в решетке Г 12 с соот­ношением осей с/а=1,568, температура плавления 1283°С, при тем­пературе 1250°С имеет место полиморфное превращение а↔β и решетка становится К8.

Тот факт, что бериллий почти до температуры плавления но испытывает полиморфных превращений, свидетельствует об устойчивости его структуры и низкой ползучести при нагреве.

У бериллия высокий модуль нормальной упругости - 309 ГПа, что при низкой плотности 1850 кг/м³ обеспечивает бериллию самую высокую удельную жесткость среди всех конструкционных мате­риалов.

Основою массу полуфабрикатов и заготовок из бериллии производят методом порошковой металлургии. Исходные порошки промышленного бериллия имеют разную дисперсность: от 50 ли 500 мкм.

Прессование проводят в вакууме или среде инертного газа при температуре 1000-1100.°С и давлении 1-7 МПа. Чем выше дисперс­ность порошка, тем прочнее полуфабрикат. При дисперсности исходного порошка 50 мкм, например, после горячего прессования получаем σ_В-320 МПа и δ=2%.

На упрочнение бериллия при выдавливании большое влияние оказывают температура прессования и степень деформации. При соответствующем выборе параметров процесса σ_в=600...700 МПа и δ=10... 12%. Эти данные получаются при испытании вдоль выдав­ливания, При испытании поперек выдавливания механические характеристики уменьшаются примерно в два раза.

Тем не менее, если учесть низкую плотность бериллия, у него хорошие удельные характеристики.

Бериллий превосходит все другие металлы и по удельной теп­лоемкости, которая более чем в три раза теплоемкости стали.

Теплоемкость у бериллия высокая, почти такая же, как у алюминия.

Практически не отличается бериллий от алюминия и по коррозионной стойкости на воздухе, обнаруживая заметные признаки [ коррозии лишь при нагревании выше 700°С.

До температуры 500-600⁰С удельная прочность бериллия выше, чем у всех других известных металлов.

Сочетание малой плотности с большим модулем упругости I обусловливает большую скорость распространения в нем звука, равную 12600 м/с.

У бериллия очень высокая скрытая теплота плавления, при-I мерно в 3,5 раза больше, чем у стали. Плавление бериллия очень энергоемкий процесс.

Удельная теплоемкость у бериллия в 2,5 раза выше, чем у | алюминия, и в 8 раз выше, чем у стали.

Но на первый план выдвинулись ядерные свойства бериллия. В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, бомбардируя бериллий а-частицами, обнаружили бериллиевое излучение - очень слабое. но чрезвычайно проникающее, способное проходить через [ слой свинца в несколько сантиметров.

В 1932 г. английский физик Чэдвик установил, что бериллие­вое излучение - это поток нейтронов. Облученный бериллий до сих пор остается лучшим источником нейтронов. Эффективное сечение захвата тепловых нейтронов у бериллия 0,009 барн, т.е. самое низ­кое среди всех металлов. Одновременно бериллий имеет и большое сечение рассеивания нейтронов, т.е. он рассеивает нейтроны, изме­няя направление их движения, и замедляет их скорость до таких величин, когда цепная реакция протекает более эффективно. Кроме того, бериллий выполняет и роль отражателя нейтронов, т.е. может изменять их направление, возвращая нейроны в активную зону ре­актора и противодействуя их утечке.

Основные недостатки бериллия - токсичность, низкая пла­стичность и анизотропия механических свойств в полуфабрикатах, получаемых обработкой давлением.

Больше всего неприятностей доставляет токсичность берил­лия. Все растворимые соединения бериллия ядовиты и у людей, за­нятых его производством, нередко появляется хроническое заболе­вание "бериллиоз", основным признаком которого является рас­стройство дыхания. Иногда наблюдается воспаление легких, как при вдыхании фосгена, возникает дерматит, незлокачественные язвы и опухоли.

По американским данным, концентрация бериллия в атмосфе­ре цеха не должна превышать за рабочий день (8 часов) 2 мкг/м³ Готовые, обработанные детали из бериллия нетоксичны.

Низкая пластичность и анизотропия бериллия преодолеваются различными приемами, во всяком случае, эти недостатки поддаются некоторому управлению.

Сплавы на основе бериллия

Механические и технологические свойства бериллия можно улучшить путем легирования.

Для авиационной техники, где важнейшим фактором являются весовые характеристики сплава, наибольший интерес представляют сплавы бериллия с алюминием и магнием.

Сплавы системы Ве-А1 - сплавы эвтектического типа, причем эвтектика практически состоит из чистою алюминия (98,6%) и име­ет температуру плавления 644°С. При достаточно больших добав­ках алюминия (более 20%) к бериллию образуется пластичная алю­миниевая эвтектика (Аl+Ве), которая является основной структур­ной составляющей, связывающей зерна бериллия.

При такой структуре, несмотря на наличие твердого и хрупко­го бериллия, обеспечивается возможность осуществления пластической деформации сплавов и получения из них различных полуфабрикатов и изделий.

В настоящее время и у нас, и за рубежом находят промышлен­ное применение сплавы бериллия с содержанием алюминия от 20 до 45%. Отечественные сплавы маркируются буквами АБ, за рубе­жом они получили название -локэллой.

Сплавы производят методом порошковой металлургии и в конструкциях их используют в отожженном состоянии. Отжиг про­водится при температуре 500-600°С с выдержкой 1,5-2 часа. На­пример, прессованный пруток после отжига при температуре 500°С имеет следующие механические свойства:

Преимущество этих сплавов в возможности их соединения всеми видами сварки, пайки и склеивания, получения методами объемной штамповки деталей самой сложной формы. У них хоро­шая коррозионная стойкость. Учитывая высокую стоимость берил­лия, сплавы применяют только в тех случаях, когда определяющим конструкционным фактором является жесткость.

Сплавы системы Ве-А1-Мg были разработаны в результате стремления частично заменить бериллий более легким и дешевым металлом магнием. В настоящее время практическое применение получили сплавы, содержащие 26-30% Ве, 5-10% Мg, а осталь­ное Аl.

Структура таких сплавов состоит из зерен хрупкого бериллия и эвтектики, образованной твердым раствором на основе алюминия и бериллия. Основу эвтектики, как и двойных сплавов, составляет пластичный алюминиевый твердый раствор. Поэтому сплавы, не­смотря на гетерогенную структуру и присутствие хрупкого берил­лия, имеют хорошую пластичность и удовлетворительно обрабаты­ваются давлением.

Легирование (А1-Ве)-сплавов магнием способствует значи­тельному повышению их прочности. Например, при введении 5% Мg в сплав (Аl+30% Ве) предел прочности повышается с 200 до 530 МПа при одновременном повышении удлинения от 18 до 25%.

Основную массу полуфабрикатов из этих сплавов применяют в отожженном состоянии.

Сплавы бериллия с β-стабилизаторами. Высокотемператур­ная β–модификация бериллия, обладающая повышенной пластич­ностью, устойчива в узком интервале температур (1250-1283°С). Добавки некоторых элементов к бериллию, стабилизирующих β-фазу, позволяют расширить температурную область существования β-фазы с решеткой К8 и производить горячую обработку давлением в более широком температурном интервале

В качестве β-стабилизаторов используются такие легирующие элементы, как олово, медь, никель, кадмий. Пока что эти сплавы находятся в стадии исследования и конкретные рекомендации по и\ широкому использованию отсутствуют.