Бериллий и сплавы на его основе

Бериллий один из новых конструкционных материалов, используемый в важнейших отраслях техники, значение и потребление которого будет непрерывно возрастать. По удельной прочности и жесткости превосходит все другие легкие металлы, имеет высокие тепловые свойства, хорошо сопротивляется изнашиванию и ползучести, является жаростойким и коррозионно-стойким материалом, обладает размерной стабильностью. Большое внимание уделяется бериллию как проводниковому материалу при криогенных температурах, так как его электропроводность в этих условиях в 5…6 раз превосходит электропроводность лучших проводниковых металлов.

Бериллий - перспективный конструкционный материал авиационной и ра­кетно-космической техники. Его использование вместо алюминия и титана позволяет при сохранении требуемой жесткости значительно уменьшить массу конструкции.

Основными недостатками, ограничивающими использование бериллия в качестве конструкционного материала с гарантированными механическими свойствами, является его невысокая пластичность, низкая ударная вязкость и анизотропия свойств в полуфабрикатах, получаемых обработкой давлением, а также плохая свариваемость и токсичность при получении и механической обработке бериллия.

Механические свойства бериллия зависят от его чистоты и величины зерна. Установлено, что пластичность бериллия непрерывно возрастает по мере его очистки и измельчения зерна. Отмечается и повышение ударной вязкости с уменьшением в бериллии количества примесей.

Чистота бериллия определяется способами его получения и переработки в полуфабрикаты.

Существуют две технологии переработки металлического бериллия в полуфабрикаты: литейная и порошковая. Основной промышленный способ получения бериллиевых полуфабрикатов - порошковая технология. При использовании этой технологии слиток бериллия превращается механическим путем в порошок, который затем уплотняется различными способами (горячее прессование, ковка, прокат, выдавливание, волочение).

Получаемый порошковой технологией бериллий поставляют в виде горячепрессованных блоков, калиброванных заготовок (стержни, трубы, профили), а также в виде листов, получаемых прокаткой в одном или двух направлениях.

Положительное влияние на свойства сплавов Ве-Аl оказывает дополни­тельное легирование магнием. Повышение концентрации алюминия в сплаве повышает пластичность, но снижает прочность; дополнительное введение магния повышает пределы текучести и прочности при такой же, или лучшей пластичности.

Пластические массы

Характерной особенностью пластмасс является возможность получать заданные свойства готовых изделий, изменяя число и содержание исходных компонентов с известными свойствами. Пластмассы - материалы малой плотности, но невысокой удельной прочности.

В общем случае пластмассами называют материалы на основе полимеров. При этом полимеры без добавок - это простые пластмассы, сложные пластмассы - это полимеры с различными добавками (наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители и др.).

Наполнители (порошкообразные, кристаллические, волокнистые, листовые и т. п.), в основном, определяют свойства пластмасс: их прочность, интервал рабочих температур, коэффициент трения, стоимость и др.

Пластификаторы, несколько снижая прочность, повышают пластичность и морозостойкость всей композиции.

Стабилизаторы добавляют для повышения устойчивости свойств при длительном хранении и эксплуатации изделий.

Отвердители способствуют переходу некоторых видов пластмасс в химически необратимое термостабильное состояние.

Красители придают декоративный вид, а специальные добавки, при необходимости, радиационную стойкость или невоспламеняемость.

Большое разнообразие составных частей пластмасс, их химического со­става, структуры и происхождения, а также практически неограниченное число возможных сочетаний делает диапазон физико-механических свойств пластмасс более широким, чем у металлов и сплавов.

Применение пластмасс в качестве конструкционных материалов эконо­мически целесообразно, так как их переработка менее трудоемка и практически не нуждается в отделочных операциях.

Переработка пластмасс в изделия ведется главным образом методами пластической деформации (прессование, экструзия) или литья. Эти методы отличаются большой производительностью и безотходностью. Коэффициент использования материала достигает 0,95…0,97 по сравнению с коэффициентом 0,5…0,8 при механической обработке заготовок. Поэтому детали из пластмасс, как правило, в 5…10 раз дешевле деталей из цветных металлов и в 2…5 раз де­шевле деталей из черных металлов.

К отличительным особенностям свойств некоторых групп пластмасс, выделяющим их из большого многообразия конструкционных металлических материалов, относят:

а) меньшую по сравнению с металлическими материалами плотность;

б) высокую химическую стойкость;

в) низкую тепло- и электропроводность, придающие пластмассам хоро­шие изоляционные свойства;

г) светопрозрачность аморфных органических и силикатных стекол;

д) высокую адгезионную способность и хорошие демпфирующие свой­ства.

По способности связующего вещества переходить при нагреве в вязкотекучее состояние пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные.

Термопластичные пластмассы находят более широкое применение, их производят в больших количествах. Основная часть термопластов вырабатывается в виде пленки, волокон или изделий из волокон, что трудно, а в большинстве случаев и невозможно изготовить из термореактивных пластмасс. Термопласты технологичны, дешевы и имеют исключительно высокую химическую стойкость.

Общими недостатками термопластов являются невысокая теплостойкость (50…150°С) и изменение свойств под влиянием окружающей среды - старение под действием влаги, света и т. п.

Применяют термопласты в основном в виде лент, листов, волокон, различных покрытий (кожезаменители), герметиков, теплоизоляции, светопрозрачных изделий (оргстекла), сосудов для хранения кислот (фторопласт) и т. д.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) получают на основе фенолформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых и кремнийорганических полимеров. После отверждения они имеют сетчатую структуру, поэтому не плавятся при нагреве, устойчивы против старения, нерастворимы и практически не поглощают влагу.

Среди традиционных термореактивных пластмасс наиболее широкое при­менение в технике получили пластмассы с волокнистыми, слоистыми и порошковыми наполнителями.

Важным преимуществом наполненных термореактивных пластмасс является высокая удельная прочность и высокая удельная жесткость.

Термореактивные порошковые пластмассы однородны по свойствам и технологичны. Они хорошо прессуются, их применяют для изделий сложной формы. Недостатком порошковых пластмасс является низкая ударная вязкость.

Реактопласты с волокнистым наполнителем (волокниты) имеют более высокую прочность, а главное - ударную вязкость.

Наиболее распространенную и универсальную группу конструкционных пластмасс составляют слоистые реактопласты. По виду наполнителя различают: текстолиты - с хлопчатобумажной тканью, гетинаксы - с бумагой, древеснослоистые пластики - с древесным шпоном, стеклотекстолиты - с тканями из стеклянного волокна, углетекстолиты - с тканями из углеродных волокон и т. д.

Свойства слоистых пластиков зависят от вида полимера, наполнителя, способа укладки листов и плетения тканей, а также объемного соотношения между полимером и наполнителем.

Практически все слоистые пластики анизотропные.

Текстолит различных марок имеет низкий коэффициент трения в паре со сталью. Его применяют для изготовления подшипников скольжения, бесшумных зубчатых колес, панелей, щитов и прокладок. Гетинакс - основной конструкционный материал электрооборудования и радиоаппаратуры.

Стеклотекстолиты относят к высокопрочным конструкционным пластмассам. Они сочетают малую плотность (1,6…1,9т/м³) с высокой прочностью и жесткостью. Так как предел прочности существующих стеклотекстолитов достигает 500…600МПа, а в некоторых случаях до 950МПа, становится понятным то внимание, которое уделяется этому материалу во многих странах мира.

Композиционные материалы (КМ) - новый класс конструкционных материалов, при создании которых используется принцип сочетания разнородных материалов с сохранением границы раздела между ними для получения качественно новых свойств, не присущих исходным компонентам. КМ обладают таким комплексом свойств, который не достижим в традиционных металлических и полимерных материалах. Они значительно превосходят их по удельным прочности и жесткости, сопротивлению усталости, жаропрочности, а также различным физическим и специальным свойствам. КМ могут быть использованы практически во всех отраслях техники.