چگالی آلومینیوم چیست؟ تعریف، داده‌ها و مقایسه

1.0تعریف پایه و توصیف عددی

آلومینیوم به دلیل چگالی کم - حدود یک سوم فولاد - و نسبت استحکام به وزن بالا، یک ماده صنعتی محبوب است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود آلومینیوم سبک اما در عین حال قوی، کار با آن آسان و برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب باشد.

1.1چگالی چیست؟

1.2داده‌های چگالی اولیه آلومینیوم

• چگالی آلومینیوم تقریباً ... ۲۷۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب.
• آلیاژهای آلومینیوم چگالی مشابهی دارند، که معمولاً از ... متغیر است. ۲۶۴۰ تا ۲۸۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب.

1.3چگالی آلومینیوم خالص چقدر است؟

چگالی به جرم موجود در واحد حجم یک ماده اشاره دارد.

چگالی آلومینیوم خالص تقریباً ... ۲.۷ گرم بر سانتی‌متر مکعباگرچه ممکن است بسته به وضعیت فیزیکی آن کمی متفاوت باشد.

• در حالت جامد، چگالی آلومینیوم خالص برابر است با ۲,۶۹۹ کیلوگرم بر متر مکعب
• در حالت مایع، چگالی کمی بین ... نوسان دارد. ۲۶۹۷ و ۲۶۹۹ کیلوگرم بر متر مکعب.
  • برای مثال، در ۹۷۳ کچگالی آلومینیوم مایع برابر است با ۲۳۵۷ کیلوگرم بر متر مکعب;
  • در ۱,۱۷۳ کیلوژول، کاهش می‌یابد تا ۲۳۰۴ کیلوگرم بر متر مکعب.

1.4مقایسه چگالی با فلزات رایج:

1.5مزایای کلیدی آلومینیوم به دلیل چگالی منحصر به فرد آن

• سبک وزن:چگالی کم، آلومینیوم را سبک و حمل و نقل آن را آسان می‌کند؛ ایده‌آل برای ساخت هواپیما.
• مقاومت در برابر خوردگی:یک لایه اکسید محافظ تشکیل می‌دهد که از زنگ‌زدگی و خوردگی جلوگیری می‌کند.
• قابل بازیافت:100% قابل بازیافت، سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه برای بازیافت بدون افت کیفیت.
• رسانایی بالا:رسانایی الکتریکی دو برابر مس بر حسب وزن؛ رسانای حرارتی عالی

1.6تفاوت در چگالی بین مواد آلومینیومی

آلومینیوم خالص معمولاً چگالی حدود ۲.۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد، اما آلیاژسازی می‌تواند تغییرات جزئی ایجاد کند. عناصر آلیاژی سنگین‌تر وزن را افزایش می‌دهند. به عنوان مثال، آلیاژهای سری 1xxx نزدیک به آلومینیوم خالص هستند و آلومینیوم تجاری با خلوص 99% در نظر گرفته می‌شوند.

در مقابل، آلیاژهای سری 7xxx و 8xxx می‌توانند چگالی تا حدود 2.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب داشته باشند. به طور خاص، آلیاژ آلومینیوم 7075 دارای چگالی 2.81 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که بالاتر از سایر آلیاژها است و یکی از قوی‌ترین آلیاژهای آلومینیوم موجود است - استحکام کششی آن تقریباً دو برابر آلومینیوم 6061 است.

جالب توجه است که آلیاژهای سری 4xxx، که عمدتاً با سیلیکون آلیاژ شده‌اند، می‌توانند چگالی کمتری نسبت به آلومینیوم خالص 2.7 گرم بر سانتی‌متر مکعب داشته باشند، زیرا سیلیکون چگالی آلومینیوم را کاهش می‌دهد.

1.7خواص فیزیکی

• آلومینیوم به راحتی با رنگ سفید نقره‌ای خود با کمی ته رنگ آبی قابل تشخیص است.
• آلومینیوم خالص فلزی نرم است اما وقتی آلیاژ می‌شود، سخت‌تر و قوی‌تر می‌شود.
• به دلیل نرمی آلومینیوم، می‌توان آن را با چکش به ورقه‌های بسیار نازک تبدیل کرد.
• این ماده انعطاف‌پذیر است و به آن اجازه می‌دهد تا مطابق با نیازهای پروژه شکل داده یا خم شود.
• آلومینیوم رسانای عالی الکتریسیته و گرما است و با تشکیل یک پوشش اکسید محافظ، در برابر خوردگی مقاومت می‌کند.

1.8خواص شیمیایی

• آلومینیوم خواص شیمیایی متنوعی از خود نشان می‌دهد و عمدتاً به صورت ترکیباتی در سنگ معدن بوکسیت وجود دارد که ترکیبی از آلومینیوم، اکسیژن و سایر عناصر است. بوکسیت منبع اصلی آلومینیوم است.
• آلومینیوم وقتی در معرض اکسیژن قرار می‌گیرد، به آرامی واکنش نشان می‌دهد و یک لایه محافظ از اکسید آلومینیوم تشکیل می‌دهد.
• آلومینیوم با بسیاری از مایعات، از جمله اسیدهای داغ و آب داغ، واکنش نشان می‌دهد.
• همچنین با بازهایی مانند آب آهک و هیدروکسید سدیم واکنش می‌دهد و در ترکیب با عناصری مانند منیزیم، مس و سیلیکون، آلیاژهای با استحکام بالا تشکیل می‌دهد.

1.9تغییرات چگالی در آلیاژهای آلومینیوم

• اثر آلیاژ:عناصر آلیاژی مانند منیزیم، سیلیسیم، مس و روی باعث تغییرات جزئی در چگالی آلیاژهای آلومینیوم می‌شوند و بر خواص مکانیکی و تطبیق‌پذیری آنها تأثیر می‌گذارند.
• عوامل دیگر:فرآوری، اندازه دانه، دما، سخت شدن، عملیات حرارتی، پوشش‌ها، هیدراتاسیون و ناخالصی‌ها نیز بر چگالی تأثیر می‌گذارند.
• محدوده چگالی:چگالی آلومینیوم خالص حدود 0.1 پوند بر اینچ مکعب (2700 کیلوگرم بر متر مکعب) است. آلیاژهای آلومینیوم کمی متفاوت هستند اما همچنان بسیار سبک‌تر از فولاد هستند.

2.0تأثیر چگالی آلومینیوم بر طراحی صنعتی و کاربردها

طراحی سبک

به طور گسترده در صنایع خودرو، هوافضا و راه آهن برای کاهش وزن و بهبود راندمان انرژی استفاده می‌شود.

مثال: درهای خودرو از جنس آلیاژ آلومینیوم، 30 تا 50% کمتر از درهای فولادی وزن دارند.

تعادل هزینه، تراکم و قدرت

چگالی کم همیشه به معنای بهتر بودن نیست؛ برای طراحی بهینه باید استحکام و سختی را در نظر گرفت.

استحکام ویژه (نسبت استحکام به وزن) یک معیار کلیدی برای ارزیابی عملکرد مواد است.

مزایای پروفیل‌های آلومینیومی و لوله‌های توخالی

ساختار توخالی + چگالی کم = عملکرد برتر در واحد حجم.

3.0چرا چگالی آلومینیوم در ماشینکاری CNC اهمیت دارد؟

کارایی جابجایی و پردازش مواد

• چگالی کم آلومینیوم به این معنی است که سبک‌تر و کار با آن آسان‌تر از فولاد یا تیتانیوم است و راندمان ماشینکاری را بهبود می‌بخشد.
• مواد سبک‌تر، بار دستگاه CNC را کاهش می‌دهند، عمر ابزار را افزایش می‌دهند و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهند.

نیروهای سایش و برش ابزار

• برای ماشینکاری آلومینیوم به نیروهای برشی کمتری نیاز است که باعث کاهش سایش ابزار و افزایش عمر آن می‌شود.
• نیروی برشی کاهش‌یافته، سرعت برش و نرخ پیشروی بالاتری را فراهم می‌کند و بهره‌وری را افزایش می‌دهد.

مدیریت حرارتی

• رسانایی حرارتی خوب آلومینیوم به اتلاف گرما در حین ماشینکاری کمک می‌کند و از انبساط حرارتی، تاب برداشتن یا تغییر شکل جلوگیری می‌کند.
• مدیریت کارآمد گرما، دقت ابعادی و کیفیت سطح نهایی را تضمین می‌کند.

نرخ حذف مواد (MRR)

• چگالی کم در مقایسه با مواد متراکم‌تر منجر به MRR بالاتر می‌شود که امکان حذف سریع‌تر مواد و زمان ماشینکاری کوتاه‌تر را فراهم می‌کند.

دقت ابعادی و پرداخت سطح

• قابلیت ماشینکاری آلومینیوم، به همراه چگالی و ویژگی‌های برش آن، امکان کنترل دقیق تلرانس و پرداخت‌های سطحی با کیفیت بالا را فراهم می‌کند که برای کاربردهای دقیق ضروری است.

4.0رابطه بین چگالی و سایر خواص

1. تأثیر حالت‌های عملیات حرارتی: عملیات حرارتی مانند T6، T4 و O چگالی آلومینیوم را به طور قابل توجهی تغییر نمی‌دهند، اما می‌توانند کمی بر حجم تأثیر بگذارند و محاسبات نظری را تحت تأثیر قرار دهند.
2. ارتباط با رسانایی حرارتی: آلومینیوم رسانایی حرارتی بالایی (~235 W/m·K) همراه با چگالی کم دارد و آن را به ماده‌ای عالی برای اتلاف گرما تبدیل می‌کند (به عنوان مثال، هیت سینک‌ها، براکت‌های LED).
3. معاوضه با برق رسانایی: رسانایی الکتریکی آلومینیوم از مس کمتر است، اما چگالی آن تنها حدود یک سوم مس است، به همین دلیل است که آلومینیوم به عنوان جایگزین در انتقال برق با ولتاژ بالا به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

5.0عوامل مؤثر بر چگالی آلومینیوم

عناصر آلیاژی: آلومینیوم اغلب با فلزاتی مانند مس، منیزیم، منگنز، سیلیکون و روی آلیاژ می‌شود تا خواص مکانیکی آن بهبود یابد. این عناصر چگالی نهایی آلیاژ را کمی تغییر می‌دهند، که معمولاً بسته به ترکیب، از 2.66 گرم بر سانتی‌متر مکعب تا 2.80 گرم بر سانتی‌متر مکعب متغیر است.

دما: مانند اکثر مواد، چگالی آلومینیوم با افزایش دما به دلیل انبساط حرارتی کاهش می‌یابد و با سرد شدن به دلیل انقباض افزایش می‌یابد. اثرات انبساط/انقباض حرارتی باید در کاربردهایی با تغییرات دمایی زیاد در نظر گرفته شود.

تخلخل: فرآیندهای تولید می‌توانند باعث ایجاد تخلخل در آلومینیوم شوند و چگالی کلی آن را کاهش دهند. ریخته‌گری ممکن است حفره‌ها یا منافذی را در داخل ماده ایجاد کند، در حالی که تکنیک‌های پیشرفته تولید (از جمله ماشینکاری CNC) تخلخل را به حداقل می‌رسانند و خواص پایدار ماده را تضمین می‌کنند.

6.0نحوه اندازه‌گیری چگالی آلومینیوم (راهنمای علمی عمومی)

6.1مواد و تجهیزات مورد نیاز:

1. شیء فلزی کوچکی که می‌تواند کاملاً در آب فرو رود
2. ترازو با قلاب در زیر برای وزن کردن اجسام معلق، وضوح حداقل 0.01 گرم (در صورت عدم وجود این ویژگی در ترازو، به توضیحات مراجعه کنید)
3. سیم فلزی (یک گیره کاغذ خم شده خوب است) برای آویزان کردن جسم به قلاب ترازو
4. پایه یا سکویی برای نگه داشتن تعادل تا جسم بتواند آزادانه در زیر آن آویزان شود
5. ظرف به اندازه کافی بزرگ باشد تا جسم را بدون ریختن، کاملاً در آن فرو ببرد.
6. تکیه‌گاهی برای نگه‌داشتن بشر زیر ترازو در ارتفاع صحیح
7. آب لوله کشی
8. ماشین حساب
9. نخ نایلونی (مانند نخ ماهیگیری) یا مواد سبک مشابه برای آویزان کردن جسم
10. دستکش‌های نیتریل یکبار مصرف (به خصوص هنگام کار با فلزاتی که ممکن است حاوی سرب باشند)
11. اختیاری: گیره برای ثابت کردن پایه ترازو روی لبه میز یا پیشخوان

6.2روش گام به گام:

1. پوشش پایینی ترازو را بردارید تا قلاب داخلی نمایان شود.
2. ترازو را روی پایه‌ای با سوراخ قرار دهید تا قلاب آن قابل دسترسی باشد.
3. قلاب سیمی فلزی را به قلاب داخلی وصل کنید، سپس ترازو را وزن (صفر) کنید.
4. جسم فلزی را با استفاده از نخ نایلونی از قلاب زیر ترازو آویزان کنید و آن را در هوا وزن کنید.
5. بشر را با آب پر کنید و آن را زیر جسم معلق قرار دهید.
6. بشر را بالا بیاورید تا جسم کاملاً در آب فرو رود. از یک تکیه‌گاه برای نگه داشتن بشر در ارتفاع مناسب استفاده کنید. مطمئن شوید که هیچ حباب هوایی روی یا داخل جسم وجود ندارد.
7. جسم فرو رفته را وزن کنید.
8. چگالی را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنید.
9. چگالی محاسبه شده را با چگالی‌های شناخته شده فلزات و آلیاژها از جداول مرجع مقایسه کنید.
10. در صورت نیاز، مراحل ۴ تا ۹ را برای نمونه‌های دیگر تکرار کنید.

6.3فرمول محاسبه چگالی:

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

کجا:

• پی = چگالی جسم (گرم بر سانتی‌متر مکعب)
• م_ایر = جرم جسم در هوا (g)
• آب_م = جرم ظاهری جسم هنگام غوطه‌ور شدن در آب (گرم)
• آب = چگالی آب (تقریباً 0.998 گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای 20 درجه سانتیگراد یا 0.997 گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای 25 درجه سانتیگراد)

 

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