Alüminyumun Yoğunluğu Nedir? Tanım, Veriler ve Karşılaştırma

1.0 Temel Tanım ve Sayısal Açıklama

Alüminyum, düşük yoğunluğu (çeliğin yaklaşık üçte biri) ve yüksek mukavemet-ağırlık oranı nedeniyle popüler bir endüstriyel malzemedir. Bu, onu hafif ama güçlü, işlenmesi kolay ve birçok endüstriyel kullanım için uygun hale getirir.

1.1 Yoğunluk Nedir?

Yoğunluk, bir maddenin birim hacim başına kütlesini ifade eder. Genellikle Yunan harfi ρ (rho) veya D harfi (için) ile gösterilir. Yoğunluk). Matematiksel olarak yoğunluk, kütlenin hacme oranı olarak tanımlanır:

ρ = m / V

Nerede:
ρ = yoğunluk
m = kütle
V = hacim

Tanım

Yoğunluk, bir maddenin birim hacminde bulunan kütle miktarıdır. Yani,

ρ = M / V

Burada M kütle ve V nesnenin hacmidir. Kütle dağılımı düzgün olan malzemeler için yoğunluk formülü bu temel matematiksel forma sadeleştirilebilir.

Başka bir deyişle yoğunluk, kütlenin hacme “oranı” olarak tanımlanır.

1.2 Alüminyumun Temel Yoğunluk Verileri

• Alüminyumun yoğunluğu yaklaşık olarak 2.710 kg/m³.
• Alüminyum alaşımları, tipik olarak aşağıdaki aralıkta değişen benzer bir yoğunluğa sahiptir: 2.640 ila 2.810 kg/m³.

1.3 Saf Alüminyumun Yoğunluğu Nedir?

Yoğunluk, bir maddenin birim hacminde bulunan kütleyi ifade eder.

Saf alüminyumun yoğunluğu yaklaşık olarak 2,7 gr/cm³Ancak fiziksel durumuna bağlı olarak biraz değişiklik gösterebilir.

• Katı halde saf alüminyumun yoğunluğu 2.699 kg/m
• Sıvı formda yoğunluk, arasında hafifçe dalgalanır. 2.697 ve 2.699 kg/m³.
  • Örneğin, 973 bin, sıvı alüminyumun yoğunluğu 2.357 kg/m³;
  • Şu anda 1.173 bin, azalır 2.304 kg/m³.

1.4 Yaygın Metallerle Yoğunluk Karşılaştırması:

1.5 Benzersiz Yoğunluğu Nedeniyle Alüminyumun Temel Avantajları

• Hafif:Düşük yoğunluğu alüminyumu hafif ve kullanımı kolay hale getirir; uçak imalatı için idealdir.
• Korozyon Direnci:Pas ve korozyonu önleyen koruyucu bir oksit tabakası oluşturur.
• Geri dönüştürülebilir:100% geri dönüştürülebilir, çevre dostudur ve kalite kaybı olmadan geri dönüşümü uygun maliyetlidir.
• Yüksek İletkenlik:Elektriksel iletkenliği bakırın ağırlığının iki katıdır; mükemmel ısı iletkenidir

1.6 Alüminyum Malzemeler Arasındaki Yoğunluk Farkları

Saf alüminyumun yoğunluğu genellikle yaklaşık 2,7 g/cm³'tür, ancak alaşımlama hafif değişikliklere neden olabilir. Daha ağır alaşım elementleri ağırlığı artırır. Örneğin, 1xxx serisi alaşımlar saf alüminyuma yakındır ve 99% saflığında ticari alüminyum olarak kabul edilir.

Buna karşılık, 7xxx ve 8xxx serisi alaşımlar yaklaşık 2,9 g/cm³'e kadar yoğunluklara sahip olabilir. Özellikle, 7075 alüminyum alaşımı 2,81 g/cm³ yoğunluğa sahiptir, diğer alaşımlardan daha yüksektir ve mevcut en güçlü alüminyum alaşımlarından biridir - çekme dayanımı 6061 alüminyumun neredeyse iki katıdır.

İlginçtir ki, esas olarak silisyumla alaşımlanan 4xxx serisi alaşımlar, silisyumun alüminyumun yoğunluğunu azaltması nedeniyle, saf alüminyumun 2,7 gr/cm³ yoğunluğundan daha düşük bir yoğunluğa sahip olabilir.

1.7 Fiziksel Özellikler

• Alüminyum, hafif mavimsi bir renk tonuna sahip gümüş-beyaz rengiyle kolayca tanınır.
• Saf alüminyum yumuşak bir metaldir ancak alaşımlandığında daha sert ve dayanıklı hale gelir.
• Alüminyum yumuşak bir madde olduğundan çok ince levhalar halinde dövülebilir.
• Esnektir, proje ihtiyaçlarına göre şekillendirilebilir veya bükülebilir.
• Alüminyum, elektrik ve ısıyı mükemmel bir şekilde iletir ve koruyucu bir oksit kaplama oluşturarak korozyona karşı direnç gösterir.

1.8 Kimyasal Özellikler

• Alüminyum çeşitli kimyasal özellikler gösterir ve esas olarak alüminyum, oksijen ve diğer elementlerin bir karışımı olan boksit cevherinde bileşikler halinde bulunur. Boksit, alüminyumun birincil kaynağıdır.
• Alüminyum, oksijene maruz kaldığında yavaş yavaş reaksiyona girerek koruyucu bir alüminyum oksit tabakası oluşturur.
• Alüminyum, sıcak asitler ve sıcak su da dahil olmak üzere birçok sıvı ile reaksiyona girer.
• Kireç suyu ve sodyum hidroksit gibi bazlarla da reaksiyona girerek magnezyum, bakır ve silisyum gibi elementlerle birleşince yüksek dayanımlı alaşımlar oluşturur.

1.9 Alüminyum Alaşımlarında Yoğunluk Değişimi

• Alaşım Etkisi:Mg, Si, Cu ve Zn gibi alaşım elementleri alüminyum alaşımlarında hafif yoğunluk değişimlerine neden olarak mekanik özelliklerini ve çok yönlülüğünü etkiler.
• Diğer Faktörler:Yoğunluğu etkileyen diğer faktörler ise işleme, tane boyutu, sıcaklık, sertleştirme, ısıl işlem, kaplamalar, hidrasyon ve safsızlıklardır.
• Yoğunluk Aralığı:Saf alüminyum yoğunluğu yaklaşık 0,1 lb/in³'tür (2.700 kg/m³). Alüminyum alaşımları biraz değişir ancak çelikten çok daha hafif kalır.

2.0 Alüminyum Yoğunluğunun Endüstriyel Tasarım ve Uygulamalar Üzerindeki Etkisi

Hafif Tasarım

Otomotiv, havacılık ve demir yolu endüstrilerinde ağırlığı azaltmak ve enerji verimliliğini artırmak için yaygın olarak kullanılır.

Örnek: Alüminyum alaşımlı araba kapıları çelik kapılardan 30–50% daha hafiftir.

Maliyet, Yoğunluk ve Dayanıklılığın Dengesi

Düşük yoğunluk her zaman daha iyi anlamına gelmez; optimum tasarım için mukavemet ve sertlik de dikkate alınmalıdır.

Özgül dayanım (dayanım-ağırlık oranı), malzeme performans değerlendirmesi için önemli bir ölçüttür.

Alüminyum Profillerin ve İçi Boş Boruların Avantajları

İçi boş yapı + düşük yoğunluk = birim hacim başına üstün performans.

3.0 CNC İşlemede Alüminyum Yoğunluğunun Önemi

Malzeme Taşıma ve İşleme Verimliliği

• Alüminyumun düşük yoğunluğu, çelik veya titanyumdan daha hafif ve kullanımı daha kolay olduğu anlamına gelir; bu da işleme verimliliğini artırır.
• Daha hafif malzemeler CNC tezgahının yükünü azaltır, takım ömrünü uzatır ve bakım ihtiyacını azaltır.

Takım Aşınması ve Kesme Kuvvetleri

• Alüminyumu işlemek için daha düşük kesme kuvvetleri gerekir, bu da takım aşınmasını azaltır ve takım ömrünü uzatır.
• Azaltılmış kesme kuvveti, daha yüksek kesme hızlarına ve ilerleme oranlarına olanak vererek üretkenliği artırır.

Isı Yönetimi

• Alüminyumun iyi ısı iletkenliği, işleme sırasında ısının dağıtılmasına yardımcı olarak termal genleşmeyi, eğilmeyi veya deformasyonu önler.
• Verimli ısı yönetimi, boyutsal doğruluğu ve yüzey kalitesini garanti eder.

Malzeme Kaldırma Oranı (MRR)

• Düşük yoğunluk, daha yoğun malzemelere kıyasla daha yüksek MRR'ye yol açarak daha hızlı malzeme çıkarılmasını ve daha kısa işleme sürelerini mümkün kılar.

Boyutsal Doğruluk ve Yüzey Kaplaması

• Alüminyumun yoğunluğu ve kesme özellikleriyle desteklenen işlenebilirliği, hassas uygulamalar için gerekli olan sıkı tolerans kontrolüne ve yüksek kaliteli yüzey kaplamalarına olanak tanır.

4.0 Yoğunluk ve Diğer Özellikler Arasındaki İlişki

1. Isıl İşlem Durumlarının Etkisi: T6, T4 ve O gibi ısıl işlemler alüminyumun yoğunluğunu önemli ölçüde değiştirmez ancak hacmini hafifçe etkileyerek teorik hesaplamaları etkileyebilir.
2. İlişkisi Isıl İletkenlik: Alüminyum, düşük yoğunlukla birlikte yüksek ısı iletkenliğine (~235 W/m·K) sahiptir ve bu da onu ısı dağıtımı için mükemmel bir malzeme haline getirir (örneğin, ısı emiciler, LED braketleri).
3. Elektrikle Takas İletkenlik: Alüminyumun elektrik iletkenliği bakırdan daha düşüktür, ancak yoğunluğu bakırın yalnızca üçte biri kadardır; bu nedenle alüminyum yüksek gerilimli enerji iletiminde yaygın olarak bir ikame olarak kullanılır.

5.0 Alüminyum Yoğunluğunu Etkileyen Faktörler

Alaşım Elementleri: Alüminyum, mekanik özellikleri iyileştirmek için genellikle bakır, magnezyum, manganez, silikon ve çinko gibi metallerle alaşımlanır. Bu elementler, bileşime bağlı olarak genellikle 2,66 g/cm³ ile 2,80 g/cm³ arasında değişen nihai alaşım yoğunluğunu hafifçe değiştirir.

Sıcaklık: Çoğu malzeme gibi alüminyumun yoğunluğu da termal genleşme nedeniyle sıcaklık arttıkça azalır ve büzülme nedeniyle soğutulduğunda artar. Büyük sıcaklık değişimlerinin olduğu uygulamalarda termal genleşme/büzülme etkileri dikkate alınmalıdır.

Gözeneklilik: Üretim süreçleri alüminyuma gözeneklilik katabilir ve genel yoğunluğunu düşürebilir. Döküm, malzemenin içinde boşluklar veya gözenekler oluşturabilirken, gelişmiş üretim teknikleri (CNC işleme dahil) gözenekliliği en aza indirir ve tutarlı malzeme özellikleri sağlar.

6.0 Alüminyumun Yoğunluğu Nasıl Ölçülür (Popüler Bilim Rehberi)

6.1 Gerekli Malzeme ve Ekipmanlar:

1. Tamamen suya batırılabilen küçük metal nesne
2. Askıdaki nesneleri tartmak için altında bir kanca bulunan terazi, en az 0,01 g çözünürlük (terazide bu özellik yoksa notlara bakın)
3. Nesneyi denge kancasına asmak için metal tel (eğik bir ataç işe yarar)
4. Nesnenin serbestçe altına asılabilmesi için dengeyi sağlayacak destek standı veya platform
5. Nesneyi tamamen batıracak ve dökmeyecek kadar büyük bir kap
6. Terazinin altında bardağı doğru yükseklikte tutmak için destek
7. Musluk suyu
8. Hesap makinesi
9. Nesneyi asmak için naylon ip (olta ipi gibi) veya benzer şekilde hafif bir malzeme
10. Tek kullanımlık nitril eldivenler (özellikle kurşun içerebilecek metalleri tutarken)
11. İsteğe bağlı: Denge standını bir masanın veya tezgahın kenarına sabitlemek için kelepçe

6.2 Adım Adım Prosedür:

1. Terazinin alt kapağını çıkararak iç kancayı ortaya çıkarın.
2. Teraziyi kancaya erişilebilecek şekilde delikli bir sehpaya yerleştirin.
3. Metal tel kancayı iç kancaya takın, ardından teraziyi sıfırlayın.
4. Metal nesneyi terazinin altındaki kancaya naylon ip bağlayarak asın ve havada tartın.
5. Beherglası suyla doldurup asılı duran cismin altına yerleştirin.
6. Nesne tamamen suya batana kadar beheri kaldırın. Beheri doğru yükseklikte tutmak için bir destek kullanın. Nesnenin üzerinde veya içinde hava kabarcığı olmadığından emin olun.
7. Suya batırılan cismi tartın.
8. Aşağıdaki formülü kullanarak yoğunluğu hesaplayınız.
9. Hesaplanan yoğunluğu referans tablolarından bilinen metal ve alaşım yoğunluklarıyla karşılaştırın.
10. Gerekirse diğer numuneler için 4-9 adımlarını tekrarlayın.

6.3 Yoğunluk Hesaplama Formülü:

ρ = (m_hava) / (m_hava – m_su) × ρ_su

Nerede:

• ρ = cismin yoğunluğu (g/cm³)
• m_hava = havadaki nesnenin kütlesi (g)
• m_su = nesnenin suya batırıldığında görünen kütlesi (g)
• ρ_su = suyun yoğunluğu (20°C'de yaklaşık 0,998 g/cm³ veya 25°C'de 0,997 g/cm³)

Referanslar:

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