Какова плотность алюминия? Определение, данные и сравнение

1.0 Основное определение и числовое описание

Алюминий является популярным промышленным материалом из-за его низкой плотности — примерно втрое меньше, чем у стали — и высокого отношения прочности к весу. Это делает его легким, но прочным, простым в обработке и подходящим для многих промышленных применений.

1.1 Что такое плотность?

Плотность относится к массе вещества на единицу объема. Обычно обозначается греческой буквой ρ (ро) или буквой D (для Плотность). Математически плотность определяется как отношение массы к объему:

ρ = м / В

Где:
ρ = плотность
м = масса
V = объем

Определение

Плотность — это количество массы, содержащейся в единице объема вещества. То есть,

ρ = М / V

Где M — масса, а V — объем объекта. Для материалов с равномерным распределением массы формулу плотности можно упростить до этой базовой математической формы.

Другими словами, плотность определяется как «отношение» массы к объему.

1.2 Основные данные о плотности алюминия

• Плотность алюминия составляет приблизительно 2710 кг/м³.
• Алюминиевые сплавы имеют схожую плотность, обычно в пределах от 2640–2810 кг/м³.

1.3 Какова плотность чистого алюминия?

Плотность — это масса, содержащаяся в единице объема вещества.

Плотность чистого алюминия составляет около 2,7 г/см³, хотя он может немного отличаться в зависимости от его физического состояния.

• В твердом виде плотность чистого алюминия составляет 2699 кг/м
• В жидкой форме плотность слегка колеблется между 2697 и 2699 кг/м³.
  • Например, в 973 К, плотность жидкого алюминия составляет 2357 кг/м³;
  • В 1,173 К, он уменьшается до 2304 кг/м³.

1.4 Сравнение плотности с распространенными металлами:

1.5 Основные преимущества алюминия благодаря его уникальной плотности

• Легкий:Низкая плотность делает алюминий легким и простым в обработке; идеально подходит для авиастроения.
• Коррозионная стойкость:Образует защитный оксидный слой, предотвращающий ржавчину и коррозию.
• Подлежит вторичной переработке:100% пригоден для вторичной переработки, экологически безопасен и экономически эффективен при переработке без потери качества.
• Высокая проводимость:Электропроводность вдвое больше, чем у меди по весу; отличный проводник тепла

1.6 Различия в плотности алюминиевых материалов

Чистый алюминий обычно имеет плотность около 2,7 г/см³, но легирование может вызвать небольшие изменения. Более тяжелые легирующие элементы увеличивают вес. Например, сплавы серии 1xxx близки к чистому алюминию, который считается коммерческим алюминием с чистотой 99%.

Напротив, сплавы серий 7xxx и 8xxx могут иметь плотность до 2,9 г/см³. В частности, алюминиевый сплав 7075 имеет плотность 2,81 г/см³, что выше, чем у других сплавов, и является одним из самых прочных алюминиевых сплавов — его предел прочности на разрыв почти вдвое выше, чем у алюминия 6061.

Интересно, что сплавы серии 4xxx, в основном легированные кремнием, могут иметь плотность ниже, чем у чистого алюминия — 2,7 г/см³, поскольку кремний снижает плотность алюминия.

1.7 Физические свойства

• Алюминий легко узнать по серебристо-белому цвету с легким голубоватым оттенком.
• Чистый алюминий — мягкий металл, но при легировании становится твёрже и прочнее.
• Благодаря своей мягкости алюминий можно ковать, получая очень тонкие листы.
• Он пластичен, что позволяет придавать ему форму или сгибать в соответствии с потребностями проекта.
• Алюминий является отличным проводником электричества и тепла, а также устойчив к коррозии, образуя защитное оксидное покрытие.

1.8 Химические свойства

• Алюминий проявляет различные химические свойства и в основном существует в виде соединений в бокситовой руде, которая представляет собой смесь алюминия, кислорода и других элементов. Боксит является основным источником алюминия.
• При воздействии кислорода алюминий медленно реагирует, образуя защитный слой оксида алюминия.
• Алюминий реагирует со многими жидкостями, включая горячие кислоты и горячую воду.
• Он также реагирует с основаниями, такими как известковая вода и гидроксид натрия, и образует высокопрочные сплавы в сочетании с такими элементами, как магний, медь и кремний.

1.9 Изменение плотности в алюминиевых сплавах

• Эффект сплава:Легирующие элементы, такие как Mg, Si, Cu и Zn, вызывают небольшие изменения плотности алюминиевых сплавов, влияя на их механические свойства и универсальность.
• Другие факторы:На плотность также влияют обработка, размер зерна, температура, закалка, термическая обработка, покрытия, гидратация и примеси.
• Диапазон плотности:Плотность чистого алюминия составляет около 0,1 фунта/дюйм³ (2700 кг/м³). Алюминиевые сплавы немного различаются, но остаются намного легче стали.

2.0 Влияние плотности алюминия на промышленный дизайн и применение

Легкая конструкция

Широко используется в автомобильной, аэрокосмической и железнодорожной промышленности для снижения веса и повышения энергоэффективности.

Пример: автомобильные двери из алюминиевого сплава весят на 30–50% меньше, чем стальные двери.

Баланс стоимости, плотности и прочности

Низкая плотность не всегда означает лучшее качество; для оптимальной конструкции необходимо учитывать прочность и жесткость.

Удельная прочность (отношение прочности к весу) является ключевым показателем оценки эксплуатационных характеристик материала.

Преимущества алюминиевых профилей и полых труб

Полая структура + низкая плотность = превосходная производительность на единицу объема.

3.0 Почему плотность алюминия имеет значение при обработке на станках с ЧПУ

Эффективность обработки и перемещения материалов

• Низкая плотность алюминия означает, что он легче и проще в обработке, чем сталь или титан, что повышает эффективность обработки.
• Более легкие материалы снижают нагрузку на станок с ЧПУ, продлевая срок службы инструмента и сокращая расходы на техническое обслуживание.

Износ инструмента и силы резания

• Для обработки алюминия требуются меньшие усилия резания, что снижает износ инструмента и продлевает срок его службы.
• Уменьшение силы резания позволяет увеличить скорость резания и подачу, что повышает производительность.

Управление температурным режимом

• Хорошая теплопроводность алюминия помогает рассеивать тепло во время обработки, предотвращая тепловое расширение, коробление или деформацию.
• Эффективное управление теплом обеспечивает точность размеров и качество поверхности.

Скорость удаления материала (MRR)

• Низкая плотность приводит к более высокому показателю MRR по сравнению с более плотными материалами, что обеспечивает более быстрое удаление материала и сокращение времени обработки.

Точность размеров и качество поверхности

• Обрабатываемость алюминия, обусловленная его плотностью и режущими свойствами, позволяет обеспечить жесткий контроль допусков и высококачественную отделку поверхности, что необходимо для прецизионных применений.

4.0 Связь между плотностью и другими свойствами

1. Эффект термообработки состояний: Такие виды термической обработки, как T6, T4 и O, не оказывают существенного влияния на плотность алюминия, но могут немного повлиять на объем, что влияет на теоретические расчеты.
2. Отношение к Теплопроводность: Алюминий обладает высокой теплопроводностью (~235 Вт/м·К) в сочетании с низкой плотностью, что делает его отличным материалом для отвода тепла (например, радиаторы, кронштейны для светодиодов).
3. Компромисс с электричеством Проводимость: Электропроводность алюминия ниже, чем у меди, но его плотность составляет всего около одной трети от плотности меди, поэтому алюминий широко используется в качестве заменителя в высоковольтной передаче электроэнергии.

5.0 Факторы, влияющие на плотность алюминия

Легирующие элементы: Алюминий часто легируют такими металлами, как медь, магний, марганец, кремний и цинк, чтобы улучшить механические свойства. Эти элементы немного изменяют конечную плотность сплава, обычно в диапазоне от 2,66 г/см³ до 2,80 г/см³ в зависимости от состава.

Температура: Как и большинство материалов, плотность алюминия уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения и увеличивается при охлаждении из-за сжатия. Эффекты теплового расширения/сжатия необходимо учитывать в приложениях с большими колебаниями температуры.

Пористость: Производственные процессы могут привнести пористость в алюминий, снижая его общую плотность. Литье может создавать пустоты или поры внутри материала, в то время как передовые технологии производства (включая обработку на станках с ЧПУ) минимизируют пористость и обеспечивают постоянные свойства материала.

6.0 Как измерить плотность алюминия (научно-популярное руководство)

6.1 Необходимые материалы и оборудование:

1. Небольшой металлический предмет, который можно полностью погрузить в воду.
2. Весы с крючком внизу для взвешивания подвешенных предметов, разрешение не менее 0,01 г (если весы не имеют этой функции, см. примечание)
3. Металлическая проволока (подойдет согнутая канцелярская скрепка), чтобы подвесить предмет на крюк для весов.
4. Подставка или платформа для поддержания равновесия, чтобы объект мог свободно висеть под ней.
5. Стакан достаточно большой, чтобы полностью погрузить предмет, не проливая жидкость.
6. Подставка для удержания стакана под весами на правильной высоте.
7. Водопроводная вода
8. Калькулятор
9. Нейлоновая нить (например, рыболовная леска) или аналогичный легкий материал для подвешивания предмета
10. Одноразовые нитриловые перчатки (особенно при работе с металлами, которые могут содержать свинец)
11. Дополнительно: зажим для фиксации весовой стойки на краю стола или стойки.

6.2 Пошаговая процедура:

1. Снимите нижнюю крышку весов, чтобы получить доступ к внутреннему крючку.
2. Установите весы на подставку с отверстием, чтобы крючок был доступен.
3. Прикрепите крючок из металлической проволоки к внутреннему крючку, затем тарируйте (обнулите) весы.
4. Подвесьте металлический предмет с помощью нейлоновой нити на крючок под весами и взвесьте его в воздухе.
5. Наполните стакан водой и поставьте его под подвешенный предмет.
6. Поднимайте стакан до тех пор, пока объект не погрузится полностью. Используйте подставку, чтобы удерживать стакан на нужной высоте. Убедитесь, что на объекте или внутри него нет пузырьков воздуха.
7. Взвесьте затопленный объект.
8. Рассчитайте плотность, используя формулу ниже.
9. Сравните рассчитанную плотность с известными плотностями металлов и сплавов из справочных таблиц.
10. При необходимости повторите шаги 4–9 для других образцов.

6.3 Формула расчета плотности:

ρ = (м_воздуха) / (м_воздуха – м_воды) × ρ_воды

Где:

• ρ = плотность объекта (г/см³)
• m_air = масса объекта в воздухе (г)
• м_вода = кажущаяся масса объекта, погруженного в воду (г)
• ρ_вода = плотность воды (приблизительно 0,998 г/см³ при 20°C или 0,997 г/см³ при 25°C)

Ссылки:

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