ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมคือเท่าใด คำจำกัดความ ข้อมูล และการเปรียบเทียบ

1.0 คำจำกัดความพื้นฐานและคำอธิบายเชิงตัวเลข

อะลูมิเนียมเป็นวัสดุอุตสาหกรรมยอดนิยมเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ ซึ่งน้อยกว่าเหล็กประมาณหนึ่งในสาม และมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง จึงทำให้มีน้ำหนักเบาแต่แข็งแรง ใช้งานง่าย และเหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหลายประเภท

1.1 ความหนาแน่นคืออะไร?

ความหนาแน่นหมายถึงมวลของสารต่อหน่วยปริมาตร โดยทั่วไปจะแสดงด้วยอักษรกรีก ρ (โร) หรืออักษร D (แทนด้วย ความหนาแน่น) ในทางคณิตศาสตร์ ความหนาแน่นถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างมวลต่อปริมาตร:

ρ = ม. / วี

ที่ไหน:
ρ = ความหนาแน่น
m = มวล
V = ปริมาตร

คำนิยาม

ความหนาแน่นคือปริมาณมวลที่มีอยู่ในหน่วยปริมาตรของสาร นั่นคือ

ρ = เอ็ม / วี

โดยที่ M คือมวล และ V คือปริมาตรของวัตถุ สำหรับวัสดุที่มีการกระจายมวลสม่ำเสมอ สูตรความหนาแน่นสามารถลดรูปให้อยู่ในรูปแบบคณิตศาสตร์พื้นฐานนี้ได้

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความหนาแน่นถูกกำหนดให้เป็น “อัตราส่วน” ของมวลต่อปริมาตร

1.2 ข้อมูลความหนาแน่นพื้นฐานของอลูมิเนียม

• ความหนาแน่นของอลูมิเนียมอยู่ที่ประมาณ 2,710 กก./ม..
• โลหะผสมอะลูมิเนียมมีความหนาแน่นใกล้เคียงกัน โดยทั่วไปจะมีตั้งแต่ 2,640 ถึง 2,810 กก./ม..

1.3 อะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความหนาแน่นเท่าไร?

ความหนาแน่นหมายถึงมวลที่มีอยู่ในหน่วยปริมาตรของสาร

ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมบริสุทธิ์อยู่ที่ประมาณ 2.7 ก./ซม.³แม้ว่ามันอาจจะแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับสภาพทางกายภาพ

• ในรูปของแข็ง ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมบริสุทธิ์คือ 2,699 กก./ตรม.
• ในรูปของเหลว ความหนาแน่นจะผันผวนเล็กน้อยระหว่าง 2,697 และ 2,699 กก./ม..
  • เช่นที่ 973 เคความหนาแน่นของอะลูมิเนียมเหลวคือ 2,357 กก./ม.;
  • ที่ 1,173 กิโล, มันลดลงเหลือ 2,304 กก./ม..

1.4 การเปรียบเทียบความหนาแน่นกับโลหะทั่วไป:

1.5 ข้อได้เปรียบหลักของอลูมิเนียมเนื่องจากมีความหนาแน่นเฉพาะตัว

• น้ำหนักเบา:ความหนาแน่นต่ำทำให้อลูมิเนียมมีน้ำหนักเบาและง่ายต่อการจัดการ เหมาะสำหรับการผลิตเครื่องบิน
• ความต้านทานการกัดกร่อน:สร้างชั้นออกไซด์ป้องกันสนิมและการกัดกร่อน
• รีไซเคิลได้:100% สามารถรีไซเคิลได้ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และคุ้มต้นทุนในการรีไซเคิลโดยไม่สูญเสียคุณภาพ
• ค่าการนำไฟฟ้าสูง:มีค่าการนำไฟฟ้าสองเท่าของทองแดงตามน้ำหนัก ตัวนำความร้อนดีเยี่ยม

1.6 ความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างวัสดุอะลูมิเนียม

โดยทั่วไปแล้วอะลูมิเนียมบริสุทธิ์จะมีความหนาแน่นประมาณ 2.7 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่การผสมโลหะผสมอาจทำให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อย ธาตุโลหะผสมที่มีน้ำหนักมากขึ้นจะทำให้มีน้ำหนักเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น โลหะผสมซีรีส์ 1xxx ใกล้เคียงกับอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ซึ่งถือเป็นอะลูมิเนียมเชิงพาณิชย์ที่มีความบริสุทธิ์ 99%

ในทางกลับกัน โลหะผสมซีรีส์ 7xxx และ 8xxx อาจมีความหนาแน่นสูงถึงประมาณ 2.9 g/cm³ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 มีความหนาแน่น 2.81 g/cm³ สูงกว่าโลหะผสมอื่นๆ และถือเป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมที่แข็งแกร่งที่สุดชนิดหนึ่งที่มีจำหน่าย โดยมีความแข็งแรงในการดึงเกือบสองเท่าของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6061

ที่น่าสนใจคือ โลหะผสมซีรีส์ 4xxx ซึ่งผสมซิลิกอนเป็นหลัก อาจมีความหนาแน่นต่ำกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ที่ 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร เนื่องจากซิลิกอนจะลดความหนาแน่นของอะลูมิเนียม

1.7 คุณสมบัติทางกายภาพ

• อลูมิเนียมสามารถจดจำได้ง่ายจากสีเงินขาวและมีสีออกน้ำเงินเล็กน้อย
• อะลูมิเนียมบริสุทธิ์เป็นโลหะที่อ่อน แต่เมื่อนำมาผสมแล้วจะแข็งและแข็งแรงมากขึ้น
• เนื่องจากความอ่อนตัวของอลูมิเนียมจึงสามารถตีให้เป็นแผ่นบางๆ ได้
• มีลักษณะเหนียวทำให้สามารถขึ้นรูปหรือดัดโค้งตามความต้องการของโครงการได้
• อะลูมิเนียมเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยมและทนต่อการกัดกร่อนโดยการสร้างชั้นเคลือบออกไซด์ป้องกัน

1.8 คุณสมบัติทางเคมี

• อะลูมิเนียมมีคุณสมบัติทางเคมีที่หลากหลายและส่วนใหญ่อยู่ในรูปสารประกอบในแร่บ็อกไซต์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของอะลูมิเนียม ออกซิเจน และธาตุอื่นๆ บ็อกไซต์เป็นแหล่งกำเนิดอะลูมิเนียมหลัก
• เมื่อสัมผัสกับออกซิเจน อลูมิเนียมจะทำปฏิกิริยาช้าๆ เพื่อสร้างชั้นป้องกันอลูมิเนียมออกไซด์
• อะลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับของเหลวหลายชนิด รวมถึงกรดร้อนและน้ำร้อน
• นอกจากนี้ ยังทำปฏิกิริยากับเบส เช่น น้ำปูนขาว และโซเดียมไฮดรอกไซด์ และสร้างโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงเมื่อรวมกับธาตุ เช่น แมกนีเซียม ทองแดง และซิลิกอน

1.9 ความหนาแน่นที่แตกต่างกันในโลหะผสมอะลูมิเนียม

• เอฟเฟกต์โลหะผสม:ธาตุโลหะผสม เช่น Mg, Si, Cu และ Zn ทำให้ความหนาแน่นในโลหะผสมอะลูมิเนียมเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลและความหลากหลาย
• ปัจจัยอื่นๆ:การประมวลผล ขนาดเมล็ด อุณหภูมิ การชุบแข็ง การอบด้วยความร้อน การเคลือบ การให้ความชื้น และสิ่งเจือปนยังส่งผลต่อความหนาแน่นอีกด้วย
• ช่วงความหนาแน่น:ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมบริสุทธิ์อยู่ที่ประมาณ 0.1 ปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้ว (2,700 กก.ต่อลูกบาศก์เมตร) โลหะผสมอะลูมิเนียมจะแตกต่างกันเล็กน้อยแต่ยังคงเบากว่าเหล็กมาก

2.0 ผลกระทบของความหนาแน่นของอะลูมิเนียมต่อการออกแบบและการใช้งานในอุตสาหกรรม

การออกแบบน้ำหนักเบา

ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ อวกาศ และรถไฟ เพื่อลดน้ำหนักและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

ตัวอย่าง: ประตูรถอัลลอยด์อลูมิเนียมมีน้ำหนักเบากว่าประตูเหล็ก 30–50%

ความสมดุลของต้นทุน ความหนาแน่น และความแข็งแกร่ง

ความหนาแน่นต่ำไม่ได้หมายความว่าจะดีกว่าเสมอไป ความแข็งแกร่งและความแข็งจะต้องได้รับการพิจารณาเพื่อการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด

ความแข็งแรงจำเพาะ (อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก) เป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของวัสดุ

ข้อดีของโปรไฟล์อลูมิเนียมและท่อกลวง

โครงสร้างกลวง + ความหนาแน่นต่ำ = ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าต่อหน่วยปริมาตร

3.0 เหตุใดความหนาแน่นของอะลูมิเนียมจึงมีความสำคัญในงานกลึง CNC

การจัดการวัสดุและประสิทธิภาพการประมวลผล

• ความหนาแน่นต่ำของอลูมิเนียมทำให้มีน้ำหนักเบาและง่ายต่อการจัดการมากกว่าเหล็กหรือไททาเนียม ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตัดเฉือน
• วัสดุที่เบากว่าช่วยลดภาระของเครื่อง CNC ช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือและลดการบำรุงรักษา

การสึกหรอของเครื่องมือและแรงตัด

• ต้องใช้แรงตัดที่ต่ำกว่าในการกลึงอะลูมิเนียม ซึ่งจะช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ
• แรงตัดที่ลดลงทำให้สามารถตัดด้วยความเร็วและอัตราป้อนที่สูงขึ้นได้ จึงเพิ่มผลผลิตได้มากขึ้น

การจัดการความร้อน

• คุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีของอะลูมิเนียมช่วยระบายความร้อนระหว่างการตัดเฉือน ป้องกันการขยายตัวเนื่องจากความร้อน การบิดงอ หรือการเสียรูป
• การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพช่วยให้มั่นใจถึงความถูกต้องของมิติและคุณภาพของพื้นผิวที่เสร็จสิ้น

อัตราการกำจัดวัสดุ (MRR)

• ความหนาแน่นต่ำทำให้มี MRR สูงขึ้นเมื่อเทียบกับวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงกว่า ทำให้สามารถกำจัดวัสดุได้เร็วขึ้นและใช้ระยะเวลาในการตัดเฉือนน้อยลง

ความแม่นยำของมิติและการตกแต่งพื้นผิว

• ความสามารถในการตัดเฉือนของอลูมิเนียม ซึ่งได้รับความช่วยเหลือจากความหนาแน่นและคุณลักษณะในการตัด ทำให้สามารถควบคุมความคลาดเคลื่อนได้อย่างเข้มงวด และมีพื้นผิวคุณภาพสูง ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้ความแม่นยำ

4.0 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและคุณสมบัติอื่น ๆ

1. ผลกระทบของสภาวะการอบด้วยความร้อน: การอบด้วยความร้อน เช่น T6, T4 และ O ไม่ได้เปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอะลูมิเนียมมากนัก แต่สามารถส่งผลต่อปริมาตรได้เล็กน้อย ซึ่งส่งผลต่อการคำนวณทางทฤษฎี
2. ความสัมพันธ์กับ การนำความร้อน: อะลูมิเนียมมีค่าการนำความร้อนสูง (~235 W/m·K) เมื่อรวมกับความหนาแน่นต่ำ ทำให้เป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับการกระจายความร้อน (เช่น แผ่นระบายความร้อน ขายึด LED)
3. การแลกเปลี่ยนกับไฟฟ้า การนำไฟฟ้า: อะลูมิเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าทองแดงแต่มีความหนาแน่นเพียงประมาณหนึ่งในสามของทองแดงเท่านั้น ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมอะลูมิเนียมจึงถูกนำมาใช้ทดแทนในระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงอย่างกว้างขวาง

5.0 ปัจจัยที่มีผลต่อความหนาแน่นของอะลูมิเนียม

ธาตุโลหะผสม: อะลูมิเนียมมักถูกผสมกับโลหะ เช่น ทองแดง แมกนีเซียม แมงกานีส ซิลิกอน และสังกะสี เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกล องค์ประกอบเหล่านี้ทำให้ความหนาแน่นของโลหะผสมขั้นสุดท้ายเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 2.66 g/cm³ ถึง 2.80 g/cm³ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ

อุณหภูมิ: เช่นเดียวกับวัสดุส่วนใหญ่ ความหนาแน่นของอลูมิเนียมจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน และจะเพิ่มขึ้นเมื่อเย็นลงเนื่องจากการหดตัว ต้องคำนึงถึงผลกระทบของการขยายตัว/หดตัวเนื่องจากความร้อนในการใช้งานที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงมาก

ความพรุน: กระบวนการผลิตอาจทำให้อลูมิเนียมมีรูพรุน ส่งผลให้ความหนาแน่นโดยรวมของอลูมิเนียมลดลง การหล่ออาจทำให้เกิดช่องว่างหรือรูพรุนภายในวัสดุ ในขณะที่เทคนิคการผลิตขั้นสูง (รวมถึงการกลึงด้วย CNC) จะช่วยลดรูพรุนและทำให้มั่นใจได้ว่าคุณสมบัติของวัสดุจะสม่ำเสมอ

6.0 วิธีการวัดความหนาแน่นของอะลูมิเนียม (คู่มือวิทยาศาสตร์ยอดนิยม)

6.1 วัสดุและอุปกรณ์ที่ต้องใช้:

1. วัตถุโลหะขนาดเล็กที่สามารถจมอยู่ในน้ำได้หมด
2. เครื่องชั่งแบบมีตะขอไว้ด้านล่างเพื่อชั่งสิ่งของที่แขวนอยู่ ความละเอียดอย่างน้อย 0.01 กรัม (ดูหมายเหตุหากเครื่องชั่งไม่มีคุณลักษณะนี้)
3. ลวดโลหะ (คลิปหนีบกระดาษงอใช้ได้ดี) เพื่อแขวนวัตถุบนตะขอทรงตัว
4. ขาตั้งหรือแท่นรองรับเพื่อวางสมดุลเพื่อให้วัตถุสามารถแขวนไว้ด้านล่างได้อย่างอิสระ
5. บีกเกอร์ขนาดใหญ่พอที่จะจุ่มวัตถุลงไปได้หมดโดยไม่หกออกมา
6. รองรับการถือบีกเกอร์ไว้ใต้ตาชั่งที่ความสูงที่ถูกต้อง
7. น้ำประปา
8. เครื่องคิดเลข
9. ด้ายไนลอน (เช่น สายเบ็ด) หรือวัสดุน้ำหนักเบาอื่นๆ เพื่อแขวนวัตถุ
10. ถุงมือไนไตรล์แบบใช้แล้วทิ้ง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องสัมผัสโลหะที่อาจมีตะกั่ว)
11. ตัวเลือก: แคลมป์เพื่อยึดขาตั้งสมดุลไว้บนขอบโต๊ะหรือเคาน์เตอร์

6.2 ขั้นตอนการดำเนินการ:

1. ถอดฝาครอบด้านล่างของเครื่องชั่งออกเพื่อเปิดเผยตะขอภายใน
2. วางเครื่องชั่งบนขาตั้งที่มีรูเพื่อให้เข้าถึงตะขอได้
3. ติดตะขอลวดโลหะเข้ากับตะขอภายใน จากนั้นหักค่า tare (ศูนย์) ของสมดุล
4. แขวนวัตถุโลหะโดยใช้ด้ายไนลอนบนตะขอใต้ตาชั่งแล้วชั่งน้ำหนักในอากาศ
5. เติมน้ำลงในบีกเกอร์แล้ววางไว้ใต้วัตถุที่แขวนอยู่
6. ยกบีกเกอร์ขึ้นจนวัตถุจมอยู่ใต้น้ำทั้งหมด ใช้อุปกรณ์รองรับเพื่อให้บีกเกอร์อยู่ที่ระดับความสูงที่เหมาะสม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีฟองอากาศบนหรือภายในวัตถุ
7. ชั่งน้ำหนักวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำ
8. คำนวณความหนาแน่นโดยใช้สูตรด้านล่างนี้
9. เปรียบเทียบความหนาแน่นที่คำนวณกับความหนาแน่นที่ทราบของโลหะและโลหะผสมจากตารางอ้างอิง
10. ทำซ้ำขั้นตอนที่ 4–9 สำหรับตัวอย่างอื่น ๆ หากจำเป็น

6.3 สูตรคำนวณความหนาแน่น:

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

ที่ไหน:

• ρ = ความหนาแน่นของวัตถุ (g/cm³)
• เอ็มแอร์ = มวลของวัตถุในอากาศ (ก.)
• เอ็ม_วอเตอร์ = มวลที่ปรากฏของวัตถุเมื่อจมอยู่ในน้ำ (ก.)
• ρ_น้ำ = ความหนาแน่นของน้ำ (ประมาณ 0.998 g/cm³ ที่อุณหภูมิ 20°C หรือ 0.997 g/cm³ ที่อุณหภูมิ 25°C)

อ้างอิง:

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