Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

13.2. Бериллий и сплавы на его основе

Бериллий-металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Ве„, существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную рещетку с периодами а = 0,2286 нм; с = 0,3584 нм; высокотемпературная ВСр (1250-1284 °С)-решетку объемно-центрированного куба. Физические свойства бериллия приведены в табл. 1.5.

Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости (см. табл. 12.1) бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, демпфирующей способностью и другими ценньтш свойствами.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двойной силикат бериллия и алюминия (ЗВеО • AljOj eSiOj). Содержание в земной коре бериллия небольшое-0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлечения из руд, получения из него полуфабрикатов и изделий определяют высокую стоимость бериллия.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки, полученные вакуумной переплавкой, либо обрабатьшают давлением для получения полуфабрикатов, либо пферабаты-вают в порошок, из которого полуфабрикаты и изделия изготовляют методом порошковой металлургии. Обработке давлением подвергают лишь малые слитки (rf200 мм), так как в слитках большого размера из-за высокого поверхностного натяжения образуются две усадочные раковины, соединенные трещиной.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше 700 °С бериллий «схватывается» с инструментом. Поэто-

му его прокатывают в стальной оболочке, которую затем стравливают.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Они изменяются в широких пределах: 0 = 280- 700 МПа; = = 230 - 680 МПа; 5 = 2- 40%. Так, литой бериллий со свойственнь№л ему крупным зерном имеет ст = 280 МПа; 5 = 2-3%. Горячекатаный полуфабрикат, полученный из слитка, обладает также низкими свойствами. По относительному удлинению вдоль прокатки он близок к литому состоянию, в поперечном направлении имеет близкую к нулю пластичность. Помимо размера зерна на пластичность бериллия влияют его структурные особенности. Гексагональная структура характеризуется отношением периодов решетки с/а < 1,63, при котором базисная плоскость не единственно возможная плоскость скольжения. Другими плоскостями скольжения в гексагональной плотноупакованной решетке являются плоскости призмы и пирамидальные плоскости, что обеспечивает таким металлам, как титан и цирконий, хорошую пластичность. Однако критическое напряжение, необходимое для сдвига в плоскости призмы, у бериллия при 20 °С так велико (рис. 13.11), что скольжение при деформации идет только по плоскости базиса.


т ш Боо t°c

Рис. 13.11. Критическое напряжение сдвига

Хкр для монокристалла бериллия:

1 - базисная плоскость; 2 - плоскость призмы



Этим отчасти и объясняется высокая хрупкость бериллия. На хрупкость бериллия большое влияние оказывают примеси. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм), и поэтому почти все примеси, многие из которых ограниченно растворимы в бериллии (Fe, Ni, Сг и др.), 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. Согласно зарубежным данным, бериллий, полученный методом зонной плавки за восемь проходов, имеет чрезвычайно высокую пластичность (б = 140%). Введение в зонно-очи-щенный бериллий всего 0,001 % Si вызывает его хрупкость.

Бериллий, полученный методами порошковой металлургии, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем вьппе временное сопротивление, предел текучести и пластичность при 20 °С, а также кратковременная прочность при повьш1енных температурах (рис. 13.12).


Рис. 13.12. Зависимость механических свойств горячепрессованного бериллия от размера зерна и температуры испытания

Увеличение прочностных свойств объясняется измельчением зерна и наличием неизбежно присутствующих в порошковом материале дисперсных включений оксида бериллия ВеСЗ, повышающих сопротивление пластической деформации. Рост пластичности от измельчения зерна настолько значителен, что перекрывает ее снижение из-за повышения содержания оксида при измельчении исходного порошка. Для того чтобы увеличить пластичность порошковых полуфабрикатов, размол порошков бериллия ведут в безокислительной среде. Чистый спеченный берилли!! с чрезвычайно мелкозернистой структурой ((/ = 1 3 мкм) обладает склонностью к сверхпластичности. При температуре 600-700 °С и малых скоростях деформаций пластичность б = 300%. Более высокая пластичность спеченных из порошков блоков позволяет подвергать их не только горячей обработке давлением, но и тепловой обработке при температуре 400-500 °С. Эта температура ниже температуры рекристаллизации бериллия ((рекр = 700 °С), поэтому позволяет сохранить наклеп и получить высокую прочность = 650 700 МПа.

Пластичность полуфабрикатов из спеченного бериллия в большей степени зависит и от технологии горячей обработки давлением. В настоящее время разработана технология получения текстуро-ванных прутков методом горячего выдавливания спеченного бериллия. Прутки бериллия имеют текстуру базисной плоскости и пластичность 6 = 20%. На листах бериллия, полученных поперечной прокаткой этих прутков, текстура базисной плоскости сохраняется, и такой бериллий имеет пластичность 6 = = 30 -=- 40%. В том и другом случае базисная плоскость ориентируется вдоль оси прутка или в плоскости листа, поэтому при растяжении касательные напряжения в них равны нулю. Скольжение идет по плоскостям призмы, число которых в гексагональной решетке поликристаллического бериллия значи-



тельно больше, чем базисных, что и обеспечивает хорошую пластичность. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, пластичность уменьшается до нуля.

Изделия из спеченных блоков можно также изготовлять на металлорежущих станках, однако вследствие плохой обрабатываемости резанием 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). На коже бериллиевая пыль, мелкие частицы вызывают зуд, а попадая в ранки-опухоли и язвы. В связи с этим обработку бериллия на металлорежущих станках проводят в специальных помещениях и в специальных пылезащитных костюмах и масках. При работе с бериллием необходимо тщательно выполнять правила техники безопасности.

По удельным прочности (см. табл. 12.1) и жесткости (рис. 13.13) бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов Mg, Al и Ti, а по удельной жесткости и металлы, обладающие более высоким модулем упругости (W и Мо). К тому же высокий модуль упругости бериллия (£ = 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450 °С. Вот почему бериллий является одним из лучших материалов для деталей конструкций, где особо важны собственная масса конструкции, жесткость ее силовых элементов. Расчеты показали, что самолет, изготовленный на 80% из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из алюминия. При этом на 40% увеличивается дальность полета и значительно повышается грузоподъемность самолета. Бериллий применяют в консолях крыльев, элеронах, тягах управления и других деталях сверхзвуковых самоле-


100 200 300 mt°c

Рис. 13.13. Зависимость удельной жесткости различных материалов от температуры: / - бериллий; 2 - КМ эпоксидная матрица - углеродное волокно; i - КМ эпоксидная матрица-волокно бора; сталь; 5 - титановые сплавы; 6 - алюминиевые сплавы; 7 - магниевые сплавы

тов, в ракетной технике из него изготовляют панели обшивки, промежуточные отсеки, соединительные элементы, приборные стойки и др. Высокие удельные жесткость и особенно прочность проволоки диаметром несколько микрометров (а 13(Ю МПа) открывают еще одну область применения бериллия-армирование композиционных материалов на основе А1, Ti и др., которые находят большое применение в ракетной и космической технике.

Бериллий обладает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения. По удельной теплоемкости он в 2,5 раза превосходит алюминий, в 4 раза-титан и в 8 раз-сталь, по электропроводимости и теплопроводности стоит за алюминием, уступая ему в теплопроводности только ~ 12%. Все эти свойства способствуют успешному применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной и особенно космической технике (головные части ракет, передние кромки крыльев сверхзвуковых самолетов, оболочки кабин космонавтов).



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61