4.7 Використання магнієвих сплавів

Завдяки малій густині та високій питомій міцності магнієві сплави широко використовують в авіабудуванні. З них виготовляють корпуси приладів, насосів, ліхтарі, двері кабін. В ракетній техніці з магнієвих сплавів виготовляють корпуси ракет, обтічники, стабілізатори, паливні баки. Це дозволяє знизити масу ракет на 20…30%.

Деякі магнієві сплави мають високу здатність до демпфування, гасять вібрації та шум, і тому з них виготовляють корпуси, в яких монтується електрична апаратура для керованих снарядів.

З ливарних магнієвих сплавів виготовляють кронштейни, елементи кріплення, елерони, деталі хвостового оперення, з деформівних – обшивку корпусів, стрингери, лонжерони, опорні гальмівні конструкції та інші деталі.

Також магнієві сплави знайшли застосування в автомобілебудуванні: з них виготовляють картери двигунів та коробок передач автомобілів, диски колес.

Магнієві сплави використовують в конструкціях переносного ручного інструменту (свердлильні та шліфувальні машини, пили для лісової промисловості, пневматичні інструменти, газонокосарки та інше).

В електро- та радіотехніці з магнієвих сплавів виготовляють корпуси приладів та електродвигунів, в текстильній промисловості – бобіни, шпульки, котушки та інше.

В ядерній енергетиці завдяки низькій здатності магнію поглинати теплові нейтрони, відсутності взаємодії з ураном та гарній теплопровідності з магнієвих сплавів виготовляють трубчасті тепловидільні елементи у атомних реакторах.

Магнієві сплави мають високий електронегативний потенціал, тому їх використовуються для протекторного захисту від морської корозії кораблів та конструкцій, для захисту від підземної корозії газопроводів, нафтапроводів та інше.

5. Берилій

Берилій метал сірого кольору, за зовнішнім виглядом нагадує сталь. Плавиться при температурі 1289°С. Має дві поліморфні модифікації: до 1254°С існує -Ве з ГЩП граткою (параметри гратки при 18°С а = 0,22856 нм, с = 0,35832 нм, с/а = 1,5677), від 1254 до 1287°С існує -Ве з ОЦК граткою (параметр гратки при 1250°С а = 0,2549 нм). При перетворенні гратки ГЩП в ОЦК густина зростає приблизно на 5%. При температурі 20°С густина берилію становить 1,848 г/см³. Діаметр атому берилію становить 0,226 нм [13].

За розповсюдженістю в земній корі займає 32 місце. Відомо 54 мінералів до складу яких входить берилій, більше половини з них силікати, 24% – фосфати, 10% – оксиди, 9% – борати, арсенати та карбонати. Промисловий видобуток берилію здійснюють в основному з двох мінералів – берилла та бертрандита.

Основні недоліки берилію: токсичний рідкісний метал високої вартості, що має низьку пластичність, значну анізотропію механічних властивостей в деформівних напівфабрикатах, високу чутливість до концентраторів напружень.

Переваги берилію порівняно з іншими конструкційними матеріалами: висока питома міцність (σ_в /g) та питома пружність (Е/), табл.5.1, табл.5.2. Модуль пружності Ве в 1,5 та 2,5 рази більше ніж у сталі та титану відповідно. Також Ве має доволі високий модуль зсуву 140ГПа. Поєднання малої густини з високим модулем пружності обумовлює високу швидкість розповсюдження звуку в берилії – 12600 м/с, що приблизно в 2,5 рази більше ніж в сталі.

Таблиця 5.1 – Питома міцність матеріалів [14]

Материал	σв, МПа	, (кг/м3)∙ 10–3	σв/g, км
Берилій	680	1,8	38
Магнієвий сплав МА10	430	1,8	24
Сталь 03Н18К9М5Т	1750	7,8	23
Титановий сплав ВТ6	1500	4,5	22
Алюмінієвий сплав В95	700	2,9	21

Берилій внаслідок високого модуля пружності та малої густини перевершує всі інші матеріали за показником питомої жорсткості (рис.5.1) і зберігає цю перевагу до 500…600°С.

Таблиця 5.2 – Абсолютні (Е) та питомі (Е/) модулі пружності Ве та інших металів [13]

Метал	tпл, °С	, г/см3	Е, ГПа	(Е/)10-7, м
Be	1284	1,85	300	16,60
B	1700	3,3	400	12,16
Fe	1539	7,8	210	2,65
Al	660	2,7	71	2,63
Os	3050	22,5	570	2,53
Mg	651	1,76	44	2,50
Ti	1668	4,5	105	2,44
Ir	2450	22,4	525	2,34
Re	3340	21,0	470	2,25
W	3380	19,3	360	1,88
Zn	420	7,1	100	1,55
Cu	1083	8,9	125	1,40

Рисунок 5.1 – Вплив температури на питомий модуль пружності

різних матеріалів

Берилій порівняно з іншими конструкційними матеріалами має більш високу міцність, кращу стабільність геометричних розмірів з часом, добрі корозійні властивості, найменше значення щільності та поперечного перерізу захвату теплових нейтронів.

При кімнатній температурі у сухому повітрі берилій стійкий, а у вологому повітрі повільно окислюється. При нагріванні на повітрі до 600°С незначно окислюється. При температурах вище 700°С металевий Ве реагує з азотом з утворенням нітриду Be₃N₂, який має високу твердість. У воді на поверхні утворюється щільна оксидна плівка. В перегрітій воді при 300°С технічний берилій руйнується через 2 доби. Берилій стійкий в розплаві Li до 593°С, Hg до 315°С, Bi та Pb до 673°С. Лужні метали Na, K, Ca технічної чистоти внаслідок присутності в них кисню призводять до корозії берилію. Якщо розчинність кисню в берилії незначна (0,01%) корозія не відбувається [13].

Для Ве характерні високі значення теплопровідності та теплоємності (питома теплоємність берилію в 2,5 рази більша за теплоємність Al та у 8 разів більша ніж у сталі). Низький температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) берилію близький до ТКЛР сталі, тому Ве можна використовувати в конструкціях зі сталлю.

За електро- та теплопровідністю берилій поступається лише сріблу, міді, золоту та алюмінію. Берилій – діамагнітний метал. Порядковий номер берилію дорівнює 4, тому він дуже слабко поглинає рентгенівські промені і проникнення променів крізь Ве в 17 разів більше ніж крізь Al. Берилій серед всіх елементів (крім вуглецю) має найвищу температуру Дебая (1453 К).

Характерна особливість Ве – низька пластичність. На пластичність металів з ГЩП граткою впливає не тільки співвідношення с/а, а і легкість розмноження дислокацій та швидкість їх розповсюдження по площинам ковзання під час пластичної деформації. Співвідношення с/а ГЩП гратки Ве менше за теоретичне значення (1,633) і в такому випадку базисна площина не єдина можлива площина ковзання, тобто берилій повинен мати значну пластичність. Але внаслідок малої енергії дефектів пакування ковзання дислокацій по площинам базису ГЩП гратки Ве здійснюється легко що і пояснює низьку пластичність Ве: на відміну від Ті ковзання в ГЩП гратці Ве відбувається, в основному, по площині базису (0001) та меншою мірою по площинам , двійникування лише по площинам .

Механічні властивості Ве залежать від 3 факторів: чистоти металу, текстури та величини зерна [13]. Так в залежності від чистоти Ве механічні властивості можуть коливатися в межах _в = 300…1000 МПа,  = 3…20%. Причому підвищення міцності не завжди супроводжується зниженням пластичності.

Більшість елементів сильно спотворюють гратку берилію через малий розмір атому Ве, що призводить до окрихчення його сплавів. Крихкість – природна властивість берилію.

В деформівних напівфабрикатах Ве розвивається суттєва анізотропія механічних властивостей. Так в прутках, отриманих видавлюванням, при кімнатній температурі границя міцності (_в) в напрямку, перпендикулярному осі видавлювання, становить 0,4…0,6 від _в в напрямку видавлюваня; відносне видовження в напрямку видавлювання в десятки разів більше, ніж в перпендикулярному напрямку.

При нагріванні нагартованого берилію до температури 600…625С впродовж 1…6 годин залишкові напруження повністю знімаються (відбувається зворот). Берилій після значної деформації здатний до рекристалізації при температурі вище 700С. Рекристалізація наслідує текстуру деформації, тому зберігається анізотропія властивостей.

Берилій зварюється методом дугового зварювання, піддається як м’якій, так і твердій пайці. Обробка різанням погана.

Відливки з берилію одержують вакуумним переплавом. Компактний берилій отримують порошковою металургією: подрібнення та стирання в порошок губки, зливків, корольків, пластівців. При масовому виробництві малогабаритних виробів, заготовки з порошку берилію виготовляють методом холодного пресування з наступним спіканням у вакуумі. При виробництві крупногабаритних виробів заготовки виготовляють гарячим пресуванням порошку у вакуумі. Із заготовок, одержаних методами порошкової металургії, виготовляють поковки, штамповки, листи, прутки, труби, дріт. Деформівні напівфабрикати виготовляють також із зливків берилію, але це менш розповсюджений метод.

Механічні властивості Ве, отриманого порошковою металургією, залежать від розміру порошинок, вмісту оксиду ВеО та вмісту домішок. Подрібнення порошинок приводить до подрібнення структури, зростання кількості оксиду ВеО, підвищення міцності (дисперсне зміцнення) та пластичності (чистий спечений берилій, який має дрібнозернисту структуру (d = 1…3 мкм), схильний до надпластичності), зниження температури холодноламкості.

Компактний берилій та вироби з нього не токсичні, але тонкодисперсна пил, що утворюється при виробництві берилію та його обробці різанням дуже токсична, тому необхідно дотримуватись застережних заходів.