Бериллий - металл, больше известный в машиностроении, как легирующий элемент бронзы БрБ2. Но бериллий и его сплавы нередко применяются, как самостоятельные конструкционные материалы. Применяемость бериллия обусловлена уникальным сочетанием физико-механических свойств. Интерес к нему обусловлен в первую очередь низкой плотностью (1,85 г/см3), высоким модулем упругости (3x105 МН/м2), сочетанием высоких значений теплоемкости и теплопроводности. По удельной жесткости в интервале температур до 500-700 градусов, бериллий значительно превосходит все известные металлы и сплавы, а также композиционные материалы. Основной метод получения заготовок из бериллия – порошковая металлургия. Реже применяется литьё.
Достаточно широко применяются бериллиевые сплавы. Улучшение свойств достигается не за счет легирования, а за счет чистоты сплава, т.к. все твердые растворы сильно искажают решетку из-за разницы в атомных диаметрах, что сильно понижает пластичность. Добавка 0,001%Si делает сплав абсолютно хрупким. Тем не менее сплавы с бериллием создаются и успешно применяются в ракетной технике, атомной энергетике, авиации и космической технике.
Сплавы бериллия можно разделить на высокомодульные и высокопрочные, жаропрочные и коррозионостойкие.
К первой группе относят сплавы системы Be-Al. Они обладают легкостью, хорошей жесткостью и пластичностью. Основа сплавов – смесь двух фаз с резко выраженной разнородностью: Ве-фаза твердая и прочная, Al-фаза мягкая и пластичная. Практическое применение нашли заэвтектические сплавы с алюминием. Пример механических свойств сплава 76%Ве+24%Al: Е = 260ГПа ; sв = 620Мпа; sт = 510Мпа; отн. удлинение = 3%. Если ввести третий легирующий элемент, который растворяется в Al-фазе, то это повысит ее прочность и улучшит комплекс свойств. В качестве такого элемента часто используют магний. В сплавах Be – Al – Mg модуль упругости составляет примерно 300ГПа. Тройные сплавы чаще получают сплавлением.
Жаропрочные и коррозионностойкие Ве-сплавы. Это сплавы с Са, Ni, оксидом ниобия (порошковая металлургия). Часто используются т.н. беррилиды – интерметаллиды бериллия с Ta, Zr, Hf: TaBe17, ZrBe17 (температура плавления ок. 2000 градусов). Рабочие температуры бериллидов больше чем у никелевых сплавов на 50%, их недостаток – крайне малая пластичность. В основном применяются для мелких изделий в приборостроении.
У бериллия и его сплавов есть 3 существенных недостатка, которые перекрывают все его положительные эксплуатационные свойства. Это слабая размерная стабильность, высокая токсичность паров и мелкодисперсных фракций, дороговизна обработки.
Низкая размерная стабильность - самопроизвольное изменение размеров и разрушение изделия при хранении и эксплуатации. Не уникальное явление для цветных, упрочняемых дисперсионным твердением сплавов. К такому явлению также склонны алюминиевые и титановые сплавы. Это является следствием двух основных факторов:
- нестабильности фазового и структурного состояния металла;
- релаксации остаточных внутренних напряжений, возникающих при пластической деформации заготовок (возникают даже при механической обработке)
Для снятия напряжений после операций формообразования обычно проводят промежуточные отжиги деталей при 570-8000С в течение 2-х ч, ограничивая скорость охлаждения после отжига <150 град./ч (для крупногабаритных изделий <20 град./ч). Эффективно также удаление поврежденного при механической обработке поверхностного слоя металла химическим травлением на глубину 0,05-0,1 мм. Вместе с тем образцы бериллия после механической обработки и 2 часового отжига при 800 град. проявляют нестабильность размеров во времени, обусловленную процессами растворения (при отжиге) и последующей сегрегации примесей. Кроме того, высокотемпературный отжиг оказывает разупрочняющее воздействие на бериллий и понижает уровень его предела упругости. Таким образом, при изготовлении прецизионных изделий традиционными методами механической обработки, необходимо применение специальных мер, обеспечивающих их размерную стабильность. Одной из таких мер является искусственное старение сплавов при 575 град. в течение длительного времени (до 200 ч), для полного завершения процессов выделения фаз, содержащих в основном Fe и Al, в результате чего размерная нестабильность образцов во времени подавляется. Однако такое старение не способствует повышению предела упругости, что ограничивает предельно допустимую нагрузку на изделие при его эксплуатации.
Высокое токсичное действие на организм человека, оказывают пары бериллия, которые могут образовываться при литье, сварке и нагреве до высоких температур. Даже при токарной обработке бронзы БрБ2, следует применять защитные средства. Бериллий вызывает поражения дыхательной, сердечно-сосудистой и нервной системы организма человека. Заболевание, вызванное отравлением бериллия называется бериллиозом.
Бериллий является уникальным материалом, но из-за таких его противоречивых свойств его применяемость и, соответственно более широкое изучение достаточно затруднено и движется муравьиными шагами.
