Jaka jest gęstość aluminium? Definicja, dane i porównanie

1.0Podstawowa definicja i opis numeryczny

Aluminium jest popularnym materiałem przemysłowym ze względu na niską gęstość – około jedną trzecią gęstości stali – i wysoki stosunek wytrzymałości do masy. Dzięki temu jest lekkie, a jednocześnie wytrzymałe, łatwe w obróbce i nadaje się do wielu zastosowań przemysłowych.

1.1Co to jest gęstość?

1.2Podstawowe dane dotyczące gęstości aluminium

• Gęstość aluminium wynosi około 2710 kg/m³.
• Stopy aluminium mają podobną gęstość, zwykle od 2640 do 2810 kg/m³.

1.3Jaka jest gęstość czystego aluminium?

Gęstość odnosi się do masy zawartej w jednostce objętości substancji.

Gęstość czystego aluminium wynosi około 2,7 g/cm³choć może się ona nieznacznie różnić w zależności od stanu fizycznego.

• W stanie stałym gęstość czystego aluminium wynosi 2699 kg/m
• W stanie ciekłym gęstość waha się nieznacznie pomiędzy 2697 i 2699 kg/m³.
  • Na przykład w 973 tys.gęstość ciekłego aluminium wynosi 2357 kg/m³;
  • Na 1173 tys., zmniejsza się do 2304 kg/m³.

1.4Porównanie gęstości z metalami powszechnie występującymi:

1.5Główne zalety aluminium ze względu na jego wyjątkową gęstość

• Lekka:Niska gęstość sprawia, że aluminium jest lekkie i łatwe w obróbce; idealnie nadaje się do produkcji samolotów.
• Odporność na korozję:Tworzy warstwę ochronną tlenku, która zapobiega rdzewieniu i korozji.
• Nadające się do recyklingu:100% nadaje się do recyklingu, jest przyjazny dla środowiska i opłacalny w recyklingu bez utraty jakości.
• Wysoka przewodność:Przewodność elektryczna dwukrotnie większa niż miedź pod względem masy; doskonały przewodnik cieplny

1.6Różnice w gęstości między materiałami aluminiowymi

Czyste aluminium ma zazwyczaj gęstość około 2,7 g/cm³, ale dodatki stopowe mogą powodować niewielkie różnice. Cięższe dodatki stopowe zwiększają wagę. Na przykład stopy serii 1xxx są zbliżone do czystego aluminium, uznawanego za aluminium komercyjne o czystości 99%.

Natomiast stopy serii 7xxx i 8xxx mogą mieć gęstość do około 2,9 g/cm³. Stop aluminium 7075 ma gęstość 2,81 g/cm³, wyższą niż inne stopy, i jest jednym z najmocniejszych dostępnych stopów aluminium – jego wytrzymałość na rozciąganie jest prawie dwukrotnie wyższa niż aluminium 6061.

Co ciekawe, stopy serii 4xxx, w większości zawierające krzem, mogą mieć gęstość mniejszą niż czyste aluminium, wynoszącą 2,7 g/cm³, ponieważ krzem zmniejsza gęstość aluminium.

1.7Właściwości fizyczne

• Aluminium można łatwo rozpoznać po srebrzysto-białym kolorze z delikatnym niebieskawym odcieniem.
• Czyste aluminium jest miękkim metalem, ale staje się twardsze i mocniejsze, gdy jest dodawane do stopu.
• Ze względu na swą miękkość aluminium można rozbijać na bardzo cienkie arkusze.
• Materiał ten jest ciągliwy, co pozwala na jego kształtowanie i wyginanie zależnie od potrzeb projektu.
• Aluminium jest doskonałym przewodnikiem prądu i ciepła, a także jest odporne na korozję dzięki tworzeniu ochronnej warstwy tlenku.

1.8Właściwości chemiczne

• Aluminium wykazuje różnorodne właściwości chemiczne i występuje głównie w postaci związków w rudzie boksytu, która jest mieszaniną aluminium, tlenu i innych pierwiastków. Boksyt jest głównym źródłem aluminium.
• Pod wpływem tlenu aluminium powoli reaguje, tworząc warstwę ochronną z tlenku glinu.
• Aluminium reaguje z wieloma cieczami, w tym z gorącymi kwasami i gorącą wodą.
• Reaguje również z zasadami, takimi jak woda wapienna i wodorotlenek sodu, tworząc stopy o wysokiej wytrzymałości w połączeniu z pierwiastkami, takimi jak magnez, miedź i krzem.

1.9Zmiany gęstości w stopach aluminium

• Efekt stopu:Składniki stopowe, takie jak Mg, Si, Cu i Zn, powodują niewielkie zmiany gęstości stopów aluminium, co wpływa na ich właściwości mechaniczne i wszechstronność.
• Inne czynniki:Na gęstość wpływają również obróbka, wielkość ziarna, temperatura, hartowanie, obróbka cieplna, powłoki, uwodnienie i zanieczyszczenia.
• Zakres gęstości:Gęstość czystego aluminium wynosi około 0,1 funta/cal³ (2700 kg/m³). Stopy aluminium różnią się nieznacznie, ale pozostają znacznie lżejsze od stali.

2.0Wpływ gęstości aluminium na wzornictwo przemysłowe i zastosowania

Lekka konstrukcja

Stosowane powszechnie w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i kolejowym w celu redukcji masy i poprawy efektywności energetycznej.

Przykład: Drzwi samochodowe ze stopu aluminium ważą o 30–50% mniej niż drzwi stalowe.

Równowaga kosztów, gęstości i wytrzymałości

Niska gęstość nie zawsze oznacza lepszą jakość; w celu optymalnego projektu należy wziąć pod uwagę wytrzymałość i sztywność.

Wytrzymałość właściwa (stosunek wytrzymałości do masy) jest kluczowym wskaźnikiem oceny właściwości materiału.

Zalety profili aluminiowych i rur pustych

Pusta struktura + niska gęstość = lepsza wydajność w przeliczeniu na jednostkę objętości.

3.0Dlaczego gęstość aluminium ma znaczenie w obróbce CNC

Obsługa materiałów i wydajność przetwarzania

• Niska gęstość aluminium sprawia, że jest ono lżejsze i łatwiejsze w obróbce niż stal lub tytan, co zwiększa wydajność obróbki.
• Lżejsze materiały zmniejszają obciążenie maszyny CNC, wydłużając żywotność narzędzi i ograniczając konieczność konserwacji.

Zużycie narzędzi i siły skrawania

• Do obróbki aluminium wymagane są mniejsze siły skrawania, co zmniejsza zużycie narzędzi i wydłuża ich żywotność.
• Zmniejszona siła skrawania pozwala na stosowanie większych prędkości skrawania i posuwów, co zwiększa produktywność.

Zarządzanie termiczne

• Dobra przewodność cieplna aluminium pomaga rozpraszać ciepło powstające podczas obróbki, zapobiegając rozszerzalności cieplnej, odkształcaniu lub deformacji.
• Wydajne zarządzanie ciepłem gwarantuje dokładność wymiarową i jakość wykończenia powierzchni.

Współczynnik usuwania materiału (MRR)

• Niska gęstość przekłada się na wyższy współczynnik MRR w porównaniu do materiałów o większej gęstości, co umożliwia szybsze usuwanie materiału i krótszy czas obróbki.

Dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni

• Obróbka skrawaniem aluminium, wspomagana przez jego gęstość i właściwości tnące, umożliwia ścisłą kontrolę tolerancji i wysokiej jakości wykończenie powierzchni, co jest niezbędne w zastosowaniach precyzyjnych.

4.0Związek między gęstością a innymi właściwościami

1. Wpływ obróbki cieplnej na stany: Obróbka cieplna, np. T6, T4 i O, nie zmienia znacząco gęstości aluminium, ale może nieznacznie wpływać na objętość, co utrudnia obliczenia teoretyczne.
2. Relacja do Przewodność cieplna: Aluminium charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną (~235 W/m·K) w połączeniu z niską gęstością, co sprawia, że jest doskonałym materiałem do rozpraszania ciepła (np. radiatory, uchwyty diod LED).
3. Kompromis z elektrycznością Przewodność: Przewodność elektryczna aluminium jest niższa niż miedzi, ale jego gęstość stanowi zaledwie około jedną trzecią gęstości miedzi, dlatego aluminium jest szeroko stosowane jako zamiennik w przesyłach energii wysokiego napięcia.

5.0Czynniki wpływające na gęstość aluminium

Elementy stopowe: Aluminium jest często stopowane z metalami takimi jak miedź, magnez, mangan, krzem i cynk w celu poprawy właściwości mechanicznych. Pierwiastki te nieznacznie zmieniają końcową gęstość stopu, zazwyczaj w zakresie od 2,66 g/cm³ do 2,80 g/cm³, w zależności od składu.

Temperatura: Podobnie jak w przypadku większości materiałów, gęstość aluminium maleje wraz ze wzrostem temperatury z powodu rozszerzalności cieplnej i wzrasta po schłodzeniu z powodu kurczenia. W zastosowaniach o dużych wahaniach temperatury należy uwzględnić wpływ rozszerzalności/kurczenia cieplnego.

Porowatość: Procesy produkcyjne mogą powodować porowatość aluminium, obniżając jego ogólną gęstość. Odlewy mogą powodować powstawanie pustych przestrzeni lub porów wewnątrz materiału, natomiast zaawansowane techniki produkcji (w tym obróbka CNC) minimalizują porowatość i zapewniają powtarzalne właściwości materiału.

6.0Jak zmierzyć gęstość aluminium (Poradnik popularnonaukowy)

6.1Potrzebne materiały i sprzęt:

1. Mały metalowy przedmiot, który można całkowicie zanurzyć w wodzie
2. Waga z hakiem pod spodem, przeznaczona do ważenia przedmiotów wiszących, rozdzielczość co najmniej 0,01 g (patrz uwaga, jeśli waga nie posiada tej funkcji)
3. Drut metalowy (dobrze sprawdzi się wygięty spinacz biurowy) do zawieszenia przedmiotu na haku równoważącym
4. Podpora lub platforma służąca do utrzymania równowagi, dzięki której obiekt może swobodnie wisieć pod spodem
5. Zlewka na tyle duża, aby całkowicie zanurzyć w niej obiekt bez rozlewania
6. Podpora utrzymująca zlewkę pod wagą na odpowiedniej wysokości
7. Woda z kranu
8. Kalkulator
9. Nić nylonowa (jak żyłka wędkarska) lub podobnie lekki materiał do zawieszenia przedmiotu
10. Jednorazowe rękawice nitrylowe (szczególnie podczas pracy z metalami mogącymi zawierać ołów)
11. Opcjonalnie: Zacisk do zamocowania stojaka na krawędzi stołu lub blatu

6.2Procedura krok po kroku:

1. Zdejmij dolną pokrywę wagi, aby odsłonić wewnętrzny hak.
2. Ustaw wagę na stojaku z otworem, tak aby hak był dostępny.
3. Zamocuj metalowy hak do wewnętrznego haka, a następnie wyzeruj wagę.
4. Zawieś metalowy przedmiot na nici nylonowej na haku pod wagą i zważ go w powietrzu.
5. Napełnij zlewkę wodą i umieść ją pod zawieszonym przedmiotem.
6. Podnieś zlewkę, aż obiekt będzie całkowicie zanurzony. Użyj podpórki, aby utrzymać zlewkę na odpowiedniej wysokości. Upewnij się, że na obiekcie ani w jego wnętrzu nie ma pęcherzyków powietrza.
7. Zważ zanurzony obiekt.
8. Oblicz gęstość korzystając z poniższego wzoru.
9. Porównaj obliczoną gęstość ze znanymi gęstościami metali i stopów z tabel odniesienia.
10. W razie potrzeby powtórz kroki 4–9 dla innych próbek.

6.3Wzór na obliczenie gęstości:

ρ = (m_powietrze) / (m_powietrze – m_woda) × ρ_woda

Gdzie:

• ρ = gęstość obiektu (g/cm³)
• m_powietrze = masa obiektu w powietrzu (g)
• m_woda = pozorna masa obiektu zanurzonego w wodzie (g)
• ρ_woda = gęstość wody (około 0,998 g/cm³ w temp. 20°C lub 0,997 g/cm³ w temp. 25°C)

 

Odniesienia:

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