Охарактеризуйте свойства бериллия.

Охарактеризуйте свойства бериллия.

Бериллий – металл серого цвета, с температурой плавления 1284 °С и плотностью 1,8 г/см3, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Be_a, существующая до 1250 °С, имеет ГПУ структуру с периодами α=0,2286 нм; с=0,3584 нм; высокотемпературная Be_b (1250-1284°С) – ОЦК структуру.

Сравните свойства бериллия с другими металлами.

 По сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств (табл.1).

                                                                                                                         Таблица 1

                          

   По удельной прочности и жесткости он превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, Al, Ti), а по удельной жесткости и металлы, обладающие более высоким модулем упругости (W и Mo). Благодаря высокому значению модуля упругости (E=300 ГПа) и низкой плотности, бериллий по удельной жесткости превосходит все известные материалы, сохраняя это преимущество до 500-600 ° С (рис.1).

                   

Рис.1, Влияние температуры на удельный модуль упругости различных материалов.

 

Помимо очень высоких значений удельных прочности и жесткости, 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 электропроводности и теплопроводности стоит за алюминием, уступая ему в теплопроводности только» 12%. Обладает демпфирующей способностью.

Опишите процесс получения бериллия.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двойной силикат бериллия и алюминия (3BeO×Al₂O₃ ×SiO₃), который после обработки переводят в форму хлорида или фторида. Металлический бериллий получают восстановлением фторида магнием при высокой температуре (900-300°С) или электролизом его хлоридов в смеси с хлоридом натрия. Дальнейшей многократной зонной плавкой бериллий очищают до 99,98%. Содержание бериллия в

земной коре небольшое – 0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология

извлечения из руд, получения из него полуфабрикатов и изделий определяют высокую стоимость бериллия.

6.1.4.   В чем сложность металлургии бериллия?

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий.

Получение полуфабрикатов из бериллия.

Чем обоснована 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, Cr и другие), искажают его кристаллическую решетку и снижают пластичность.

6.2.5.   Какой элемент и почему используют для легирования сплавов на основе бериллия?

Исключение составляет нерастворимый в бериллии алюминий, который улучшает пластичность и поэтому используется для легирования сплавов на основе бериллия.

Рис.3 Зависимость механических свойств Al – Be от содержания бериллия

 

Рис.4 Диаграмма состояния системы Cu – Be

Закалка с 800°С фиксирует пересыщенный a-твердый раствор, из которого при старении (300-350°С) выделяются дисперсные частицы CuBe (рис5).После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: s_в = 500 МПа, d=30%, после старения: s_в = 1200 МПа, d=4%. 

 

                            

Рис.5 Электронно-микроскопическое изображение бериллиевой бронзы после старения (регулярное расположение выделений). Х50 000                                              

 

     Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии. Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали (Рис.6)

 

Рис.6.  Неискрящие и немагнитные инструменты из медно-бериллиевого сплава

Вопросы к теме 1.3.2. Бериллий и его сплавы, их особенности, специфика, области

 их применения.

Вопросы к теме 1.3.2. Бериллий и его сплавы, их особенности, специфика, области

их применения.

1. В чем сложность легирования бериллия?

Главная сложность при легировании бериллия обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. Легирование возможно лишь теми элементами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимостью.

1. Какие сплавы бериллия получили наибольшее распространение и почему?

Наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20 °С алюминием. Из диаграммы состояния Al – Be (рис.2) видно, что при температуре 20 °С бериллий практически не растворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующая при концентрации 2,5% Al, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью.

1. Охарактеризуйте сплавы Be – Al.

Практическое применение нашли эвтектические сплавы, содержащие

» 20 – 43% Al. Сплавы Be –Al имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эвтектики и твердых хрупких включений первичного бериллия. Эти сплавы сочетают высокую жесткость, прочность и малую плотность, характерные для бериллия, с пластичностью алюминия. Благодаря пластичности матрицы снижается концентрация напряжений у частиц бериллиевой фазы и уменьшается опасность образования трещин, что позволяет использовать эти сплавы в условиях более сложного напряженного состояния.

1. Какими методами получают сплавы Be – Al?

Для получения Be –Al сплавов также используют методы порошковой металлургии. Деформацию осуществляют выдавливанием с последующей ковкой и штамповкой в оболочках.

1. Какими элементами легируют сплавы Be – Al?

Для увеличения прочности сплавы Be –Al дополнительно легируют магнием и серебром – элементами, растворимыми в алюминиевой фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al – Mg или Al – Ag.

1. Какими методами получают сплавы с магнием и серебром?

В отличие от двойных сплавов, которые спекают и прессуют из порошков, сплавы с магнием и серебром получают сплавлением. Слитки подвергают обработке давлением. Сплавы хорошо свариваются и рекомендуются для сварных конструкций.

1.   Охарактеризуйте композицию Be – Ag?

Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be – Ag, содержащую до 60% серебра. Сплавы с серебром дополнительно легируют литием и лантаном. Тем не менее максимальную пластичность имеет бериллий высокой чистоты.

1. Как влияет легирование бериллия элементами Ni, Co, Ca?

 Легирование бериллия элементами Ni, Co, Ca и др., расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации Be_b, увеличивает диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы оказывают упрочняющее действие и снижают пластичность при 20°С. Никель (£ 0,5%) и кальций (<1%) вызывают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако более высокими показателями обладает бериллий, полученный методами порошковой металлургии с повышенным содержанием оксида BeO (до 4%).

1. Охарактеризуйте свойства бериллидов?

Сохраняют прочность до очень высоких температур так называемые бериллиды. Они представляют собой интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Ta, Nb, Zr и др.). Бериллиды имеют очень высокую температуру плавления (~2000°С), высокую твердость (HV 5000 - 10000), жесткость (Е»300 – 350 ГПа) при сравнительно низкой плотности

(2,7 – 5,0 г/см3). Однако они очень хрупкие.

1. Охарактеризуйте бериллиевые бронзы.

Широкое применение получили сплавы меди с 2-5% Be, так называемые бериллиевые бронзы. Наиболее применяема бронза БрБ2 с 2% Ве. Из диаграммы состояния (рис.4) видно, что этот сплав дисперсионно твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением. Закалка с 800°С фиксирует пересыщенный a-твердый раствор, из которого при старении (300-350°С) выделяются дисперсные частицы CuBe (рис5).После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: s_в = 500 МПа, d=30%, после старения:

s_в = 1200 МПа, d=4%.                                                      

Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии. Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

1. Какие свойства бериллиевых сплавов обусловило применение их в авиационной и ракетно-космической технике?

  Сочетание малой плотности, высокой удельной прочности и жесткость, сохраняющиеся до 500-600 ° С, высокие теплоемкость и теплопроводность обусловило применение бериллиевых сплавов в авиационной и ракетно-космической технике. Бериллий обеспечивает трехкратный выигрыш в массе по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами, четырехкратный – по сравнению с титаном и пятикратный – по сравнению со сталью. С увеличением температуры эффективность применения бериллия возрастает. Так, самолет, построенный на 4/5 из бериллия и его сплавов был бы на половину легче, чем из алюминия. Это позволило бы увеличить грузоподъемность и дальность полета на 40%.

1. Благодаря каким свойствам бериллий и его сплавы применяются в теплозащитных конструкциях ракет и космических кораблей?

Теплоемкость бериллия в 2 раза выше, чем у алюминия, в 3 раза – чем у железа, в 3,5 раза – чем у титана. В то же время теплопроводность бериллия такая же, как у алюминия. Благодаря этим свойствам, а также высокой жаростойкости его используют в теплозащитных конструкциях ракет и космических кораблей. Бериллий и материалы на его основе применяют для изготовления ракетных двигателей, в том числе камер сгорания и сопел. Благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности сопло выдерживает температуру до 3000 ° С. Масса двигателя снижается при двукратном увеличении тяги. Из бериллия делают системы антенн космических кораблей, теплозащитную обшивку космических аппаратов.

1. Назовите еще области применения бериллиевых сплавов.

Из бериллия делают зеркала оптических телескопов, устанавливаемых на космических кораблях Масса бериллиевого зеркала в 5 раз меньше, чем у обычных зеркал.

Тормозные диски самолетов, помимо прочности и износостойкости, должны обладать хорошими тепловыми характеристиками, так как при торможении возникает высокая температура. Бериллиевые тормоза нагреваются до 240 ° С, в то время как стальные – до 670 ° С.

Потенциальной областью применения бериллия являются оболочки глубоководных торпед. Торпеды из бериллия могут достигнуть больших глубин при таком же внутреннем объеме, что и торпеды из других материалов.

Благодаря низкому поперечному сечению захвата нейтронов и высокому поперечному сечению их рассеяния, бериллий находит применение в атомной технике для изготовления отражателей, замедлителей и оболочек ТВЭЛов. Материалы замедлителей, отражателей и оболочек ТВЭЛов должны обладать кроме ядерных характеристик высокой теплопроводностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением ползучести. Бериллий лучше других материалов (в том числе и графита) удовлетворяет этим требованиям.

Благодаря низкой поглощающей способности бериллий применяют для изготовления окон рентгеновских трубо к.

Для ориентации и стабилизации ракет и космических кораблей и подводных лодок используют гироскопы – приборы, помогающие кораблю двигаться в заданном направлении. В электростатических гироскопах из бериллия изготавливают наиболее ответственную деталь – инерционный элемент. Он представляет собой сферу из бериллия, заключенную в оболочку из керамики, внутри которой создается вакуум и электрическое поле. В этом поле подвешивается бериллиевая сфера-ротор. Зазор между вращающимся с высокой скоростью ротором и электродами составляет несколько сотых долей миллиметра. Ротор должен иметь идеально отполированную поверхность. Изготовленный из бериллия миниатюрный ротор сохраняет стабильность размеров в условиях высоких скоростей и перегрузок.

 

 

 

Контрольная работа №3. Бериллий и его сплавы.

Охарактеризуйте свойства бериллия.

Бериллий – металл серого цвета, с температурой плавления 1284 °С и плотностью 1,8 г/см3, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Be_a, существующая до 1250 °С, имеет ГПУ структуру с периодами α=0,2286 нм; с=0,3584 нм; высокотемпературная Be_b (1250-1284°С) – ОЦК структуру.