ما هي كثافة الألومنيوم؟ التعريف والبيانات والمقارنة

1.0 التعريف الأساسي والوصف العددي

يُعد الألومنيوم مادة صناعية شائعة بفضل كثافته المنخفضة - حوالي ثلث كثافة الفولاذ - ونسبة قوته إلى وزنه العالية. هذا يجعله خفيف الوزن ومتينًا في الوقت نفسه، وسهل الاستخدام، ومناسبًا للعديد من الاستخدامات الصناعية.

1.1 ما هي الكثافة؟

تشير الكثافة إلى كتلة المادة لكل وحدة حجم. ويُرمز لها عادةً بالحرف اليوناني ρ (rho) أو الحرف D (لـ كثافة). رياضيا، يتم تعريف الكثافة على أنها نسبة الكتلة إلى الحجم:

ρ = م / ف

أين:
ρ = الكثافة
م = كتلة
V = الحجم

تعريف

الكثافة هي كمية الكتلة الموجودة في وحدة حجم من مادة ما. أي،

ρ = م / ف

حيث M هي الكتلة وV هو حجم الجسم. بالنسبة للمواد ذات توزيع الكتلة المنتظم، يمكن تبسيط صيغة الكثافة إلى هذا الشكل الرياضي البسيط.

وبعبارة أخرى، يتم تعريف الكثافة على أنها "نسبة" الكتلة إلى الحجم.

1.2 بيانات الكثافة الأساسية للألمنيوم

• تبلغ كثافة الألومنيوم تقريبًا 2,710 كجم/م³.
• تتمتع سبائك الألومنيوم بكثافة مماثلة، تتراوح عادةً من 2,640 إلى 2,810 كجم/م³.

1.3 ما هي كثافة الألومنيوم النقي؟

تشير الكثافة إلى الكتلة الموجودة داخل وحدة حجم من مادة ما.

تبلغ كثافة الألومنيوم النقي حوالي 2.7 جم/سم³، على الرغم من أنه قد يختلف قليلاً اعتمادًا على حالته المادية.

• في الشكل الصلب، تكون كثافة الألومنيوم النقي 2,699 كجم/م
• في شكل سائل، تتقلب الكثافة قليلاً بين 2,697 و 2,699 كجم/م³.
  • على سبيل المثال، في 973 ك، كثافة الألومنيوم السائل هي 2,357 كجم/م³;
  • في 1,173 ألف، فإنه ينخفض إلى 2,304 كجم/م³.

1.4 مقارنة الكثافة مع المعادن الشائعة:

1.5 المزايا الرئيسية للألمنيوم بسبب كثافته الفريدة

• خفيف الوزن:الكثافة المنخفضة تجعل الألومنيوم خفيفًا وسهل التعامل معه؛ مثالي لتصنيع الطائرات.
• مقاومة التآكل:يشكل طبقة أكسيد واقية تمنع الصدأ والتآكل.
• قابلة لإعادة التدوير:100% قابلة لإعادة التدوير وصديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة لإعادة التدوير دون فقدان الجودة.
• موصلية عالية:موصلية كهربائية ضعف الموصلية النحاسية من حيث الوزن؛ موصل حراري ممتاز

1.6 الاختلافات في الكثافة بين مواد الألومنيوم

تبلغ كثافة الألومنيوم النقي عادةً حوالي ٢٫٧ غ/سم³، إلا أن عملية السبائك قد تُسبب اختلافات طفيفة. تزيد عناصر السبائك الأثقل وزنًا. على سبيل المثال، سبائك سلسلة ١xxx قريبة من الألومنيوم النقي، وهو يُعتبر ألومنيوم تجاريًا بنقاء ٩٩١TP٣T.

في المقابل، تصل كثافة سبائك السلسلتين 7xxx و8xxx إلى حوالي 2.9 غ/سم³. وتحديدًا، تبلغ كثافة سبيكة الألومنيوم 7075 2.81 غ/سم³، وهي أعلى من كثافة السبائك الأخرى، وهي من أقوى سبائك الألومنيوم المتاحة - فقوة شدها تعادل ضعف قوة شد سبيكة الألومنيوم 6061 تقريبًا.

ومن المثير للاهتمام أن سبائك سلسلة 4xxx، والتي تتكون في الغالب من السيليكون، يمكن أن يكون لها كثافة أقل من كثافة الألومنيوم النقي البالغة 2.7 جم/سم³، لأن السيليكون يقلل من كثافة الألومنيوم.

1.7 الخصائص الفيزيائية

• يمكن التعرف على الألومنيوم بسهولة من خلال لونه الأبيض الفضي مع مسحة زرقاء خفيفة.
• الألومنيوم النقي هو معدن لين ولكنه يصبح أكثر صلابة وقوة عندما يتم خلطه مع المعادن الأخرى.
• بسبب نعومته، يمكن سحق الألومنيوم إلى صفائح رقيقة للغاية.
• إنه قابل للسحب والطرق، مما يسمح بتشكيله أو ثنيه وفقًا لاحتياجات المشروع.
• يعد الألومنيوم موصلًا ممتازًا للكهرباء والحرارة ويقاوم التآكل من خلال تكوين طبقة أكسيد واقية.

1.8 الخصائص الكيميائية

• يتميز الألومنيوم بخصائص كيميائية متنوعة، ويوجد بشكل رئيسي كمركبات في خام البوكسيت، وهو خليط من الألومنيوم والأكسجين وعناصر أخرى. ويُعدّ البوكسيت المصدر الرئيسي للألمنيوم.
• عند تعرضه للأكسجين، يتفاعل الألومنيوم ببطء ليشكل طبقة واقية من أكسيد الألومنيوم.
• يتفاعل الألومنيوم مع العديد من السوائل، بما في ذلك الأحماض الساخنة والماء الساخن.
• ويتفاعل أيضًا مع القواعد مثل ماء الجير وهيدروكسيد الصوديوم ويشكل سبائك عالية القوة عند دمجه مع عناصر مثل المغنيسيوم والنحاس والسيليكون.

1.9 اختلاف الكثافة في سبائك الألومنيوم

• تأثير السبائك:تسبب عناصر السبائك مثل Mg وSi وCu وZn تغييرات طفيفة في كثافة سبائك الألومنيوم، مما يؤثر على خصائصها الميكانيكية وتنوعها.
• عوامل أخرى:وتؤثر أيضًا المعالجة وحجم الحبيبات ودرجة الحرارة والتصلب والمعالجة الحرارية والطلاءات والترطيب والشوائب على الكثافة.
• نطاق الكثافة:تبلغ كثافة الألومنيوم النقي حوالي 0.1 رطل/بوصة مكعبة (2700 كجم/م³). تختلف سبائك الألومنيوم قليلاً، لكنها تبقى أخف بكثير من الفولاذ.

2.0 تأثير كثافة الألومنيوم على التصميم الصناعي والتطبيقات

تصميم خفيف الوزن

يتم استخدامه على نطاق واسع في صناعات السيارات والفضاء والسكك الحديدية لتقليل الوزن وتحسين كفاءة الطاقة.

على سبيل المثال: أبواب السيارة المصنوعة من سبائك الألومنيوم تزن 30–50% أقل من الأبواب الفولاذية.

التوازن بين التكلفة والكثافة والقوة

لا يعني انخفاض الكثافة دائمًا الأفضل؛ إذ يجب أخذ القوة والصلابة في الاعتبار للحصول على تصميم مثالي.

القوة النوعية (نسبة القوة إلى الوزن) هي مقياس رئيسي لتقييم أداء المواد.

مزايا مقاطع الألومنيوم والأنابيب المجوفة

هيكل مجوف + كثافة منخفضة = أداء متفوق لكل وحدة حجم.

3.0 لماذا كثافة الألومنيوم مهمة في تصنيع الآلات ذات التحكم الرقمي

كفاءة مناولة المواد ومعالجتها

• إن الكثافة المنخفضة للألمنيوم تعني أنه أخف وزناً وأسهل في التعامل معه من الفولاذ أو التيتانيوم، مما يحسن كفاءة التصنيع.
• تساعد المواد الأخف وزناً على تقليل حمل آلات CNC، مما يؤدي إلى إطالة عمر الأداة وتقليل الصيانة.

تآكل الأدوات وقوى القطع

• تتطلب عملية تصنيع الألومنيوم قوى قطع أقل، مما يقلل من تآكل الأداة ويطيل عمرها.
• تسمح قوة القطع المنخفضة بسرعات قطع ومعدلات تغذية أعلى، مما يعزز الإنتاجية.

الإدارة الحرارية

• تساعد الموصلية الحرارية الجيدة للألمنيوم على تبديد الحرارة أثناء التشغيل، مما يمنع التمدد الحراري أو الانحناء أو التشوه.
• تضمن إدارة الحرارة الفعالة دقة الأبعاد وجودة التشطيب السطحي.

معدل إزالة المواد (MRR)

• تؤدي الكثافة المنخفضة إلى معدل MRR أعلى مقارنة بالمواد الأكثر كثافة، مما يتيح إزالة المواد بشكل أسرع وأوقات تصنيع أقصر.

دقة الأبعاد والتشطيب السطحي

• إن قابلية تصنيع الألومنيوم، بمساعدة كثافته وخصائص القطع، تسمح بالتحكم الدقيق في التسامح والتشطيبات السطحية عالية الجودة، وهي ضرورية للتطبيقات الدقيقة.

4.0 العلاقة بين الكثافة والخصائص الأخرى

1. تأثير حالات المعالجة الحرارية: لا تؤدي المعالجات الحرارية مثل T6 وT4 وO إلى تغيير كثافة الألومنيوم بشكل كبير ولكنها قد تؤثر قليلاً على الحجم، مما يؤثر على الحسابات النظرية.
2. العلاقة بـ الموصلية الحرارية: يتميز الألومنيوم بموصلية حرارية عالية (~235 واط/م·ك) بالإضافة إلى كثافة منخفضة، مما يجعله مادة ممتازة لتبديد الحرارة (على سبيل المثال، أحواض الحرارة، وحوامل LED).
3. المقايضة مع الكهرباء الموصلية: تعتبر الموصلية الكهربائية للألمنيوم أقل من الموصلية الكهربائية للنحاس، ولكن كثافته تبلغ حوالي ثلث كثافة النحاس فقط، ولهذا السبب يستخدم الألومنيوم على نطاق واسع كبديل في نقل الطاقة ذات الجهد العالي.

5.0 العوامل المؤثرة على كثافة الألومنيوم

عناصر السبائك: غالبًا ما يُخلط الألومنيوم مع معادن مثل النحاس والمغنيسيوم والمنغنيز والسيليكون والزنك لتحسين خواصه الميكانيكية. تُغيّر هذه العناصر كثافة السبائك النهائية بشكل طفيف، وتتراوح عادةً بين 2.66 و2.80 جم/سم³، حسب تركيبها.

درجة حرارة: كما هو الحال مع معظم المواد، تنخفض كثافة الألومنيوم مع ارتفاع درجة الحرارة نتيجةً للتمدد الحراري، وتزداد عند تبريده نتيجةً للانكماش. يجب مراعاة تأثيرات التمدد/الانكماش الحراري في التطبيقات ذات التفاوتات الكبيرة في درجات الحرارة.

المسامية: يمكن لعمليات التصنيع أن تُدخل مساميةً إلى الألومنيوم، مما يُخفّض كثافته الإجمالية. قد يُنتج الصب فراغاتٍ أو مسامًا داخل المادة، بينما تُقلّل تقنيات التصنيع المتقدمة (بما في ذلك التصنيع باستخدام الحاسب الآلي) من المسامية وتضمن ثبات خصائص المادة.

6.0 كيفية قياس كثافة الألومنيوم (دليل العلوم الشعبية)

6.1 المواد والمعدات المطلوبة:

1. جسم معدني صغير يمكن غمره بالكامل في الماء
2. ميزان مزود بخطاف أسفله لوزن الأشياء المعلقة بدقة لا تقل عن 0.01 جم (راجع الملاحظة إذا كان الميزان يفتقر إلى هذه الميزة)
3. سلك معدني (مشبك ورق مثني يعمل بشكل جيد) لتعليق الجسم على خطاف التوازن
4. حامل أو منصة دعم للحفاظ على التوازن حتى يتمكن الجسم من التعليق بحرية تحته
5. كأس كبير بما يكفي لغمر الجسم بالكامل دون انسكاب
6. دعم لتثبيت الكأس تحت الميزان على الارتفاع الصحيح
7. ماء الصنبور
8. آلة حاسبة
9. خيط نايلون (مثل خيط الصيد) أو مادة خفيفة الوزن مماثلة لتعليق الجسم
10. قفازات النتريل التي تستخدم لمرة واحدة (خاصة عند التعامل مع المعادن التي قد تحتوي على الرصاص)
11. اختياري: مشبك لتثبيت حامل التوازن على حافة الطاولة أو المنضدة

6.2 الإجراء خطوة بخطوة:

1. قم بإزالة الغطاء السفلي للميزان لكشف الخطاف الداخلي.
2. ضع الميزان على حامل به فتحة بحيث يسهل الوصول إلى الخطاف.
3. قم بربط الخطاف السلكي المعدني بالخطاف الداخلي، ثم قم بتسوية الميزان.
4. قم بتعليق الجسم المعدني باستخدام خيط النايلون على الخطاف الموجود أسفل الميزان ثم قم بوزنه في الهواء.
5. إملأ الكوب بالماء ثم ضعه تحت الجسم المعلق.
6. ارفع الكأس حتى يغمر الجسم بالكامل. استخدم دعامة لإبقائه على الارتفاع المناسب. تأكد من عدم وجود فقاعات هواء على الجسم أو داخله.
7. وزن الجسم المغمور.
8. احسب الكثافة باستخدام الصيغة أدناه.
9. قارن الكثافة المحسوبة مع الكثافات المعروفة للمعادن والسبائك من الجداول المرجعية.
10. كرر الخطوات من 4 إلى 9 للعينات الأخرى إذا لزم الأمر.

6.3 صيغة حساب الكثافة:

ρ = (m_air) / (m_air – m_water) × ρ_water

أين:

• ρ = كثافة الجسم (جم/سم³)
• م_اير = كتلة الجسم في الهواء (جم)
• م_ماء = الكتلة الظاهرية للجسم عند غمره في الماء (جم)
• ρ_ماء = كثافة الماء (حوالي 0.998 جم/سم³ عند 20 درجة مئوية أو 0.997 جم/سم³ عند 25 درجة مئوية)

مراجع:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity