Khối lượng riêng của nhôm là bao nhiêu? Định nghĩa, dữ liệu và so sánh

1.0 Định nghĩa cơ bản và mô tả số

Nhôm là vật liệu công nghiệp phổ biến do có mật độ thấp—khoảng một phần ba so với thép—và tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao. Điều này làm cho nhôm nhẹ nhưng chắc, dễ gia công và phù hợp với nhiều mục đích sử dụng trong công nghiệp.

1.1 Mật độ là gì?

Mật độ đề cập đến khối lượng của một chất trên một đơn vị thể tích. Nó thường được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp ρ (rho) hoặc chữ cái D (cho Tỉ trọng). Về mặt toán học, mật độ được định nghĩa là tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích:

ρ = m / V

Ở đâu:
ρ = mật độ
m = khối lượng
V = thể tích

Sự định nghĩa

Mật độ là lượng khối lượng chứa trong một đơn vị thể tích của một chất. Nghĩa là,

ρ = M / V

Trong đó M là khối lượng và V là thể tích của vật thể. Đối với các vật liệu có phân bố khối lượng đồng đều, công thức mật độ có thể được đơn giản hóa thành dạng toán học cơ bản này.

Nói cách khác, mật độ được định nghĩa là “tỷ lệ” giữa khối lượng và thể tích.

1.2 Dữ liệu mật độ cơ bản của nhôm

• Mật độ của nhôm xấp xỉ là 2.710 kg/m³.
• Hợp kim nhôm có mật độ tương tự, thường dao động từ 2.640 đến 2.810 kg/m³.

1.3 Khối lượng riêng của nhôm nguyên chất là bao nhiêu?

Mật độ là khối lượng chứa trong một đơn vị thể tích của một chất.

Mật độ của nhôm nguyên chất là khoảng 2,7g/cm³, mặc dù nó có thể thay đổi đôi chút tùy thuộc vào trạng thái vật lý của nó.

• Ở dạng rắn, khối lượng riêng của nhôm nguyên chất là 2.699 kg/m3
• Ở dạng lỏng, mật độ dao động nhẹ giữa 2.697 và 2.699 kg/m³.
  • Ví dụ, tại 973 nghìn, mật độ của nhôm lỏng là 2.357 kg/m³;
  • Tại 1.173 nghìn, nó giảm xuống 2.304 kg/m³.

1.4 So sánh mật độ với các kim loại thông thường:

1.5 Ưu điểm chính của nhôm do mật độ độc đáo của nó

• Nhẹ:Mật độ thấp làm cho nhôm nhẹ và dễ xử lý; lý tưởng cho sản xuất máy bay.
• Khả năng chống ăn mòn:Tạo lớp oxit bảo vệ chống gỉ và ăn mòn.
• Có thể tái chế:100% có thể tái chế, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí tái chế mà không làm giảm chất lượng.
• Độ dẫn điện cao:Độ dẫn điện gấp đôi đồng theo trọng lượng; dẫn nhiệt tuyệt vời

1.6 Sự khác biệt về mật độ giữa các vật liệu nhôm

Nhôm nguyên chất thường có mật độ khoảng 2,7 g/cm³, nhưng hợp kim có thể gây ra những thay đổi nhỏ. Các nguyên tố hợp kim nặng hơn làm tăng trọng lượng. Ví dụ, hợp kim loại 1xxx gần giống với nhôm nguyên chất, được coi là nhôm thương mại có độ tinh khiết 99%.

Ngược lại, hợp kim loại 7xxx và 8xxx có thể có mật độ lên đến khoảng 2,9 g/cm³. Cụ thể, hợp kim nhôm 7075 có mật độ là 2,81 g/cm³, cao hơn các hợp kim khác và là một trong những hợp kim nhôm mạnh nhất hiện có—độ bền kéo của nó gần gấp đôi độ bền kéo của nhôm 6061.

Điều thú vị là hợp kim loại 4xxx, chủ yếu được hợp kim với silicon, có thể có mật độ thấp hơn 2,7 g/cm³ của nhôm nguyên chất, vì silicon làm giảm mật độ của nhôm.

1.7 Tính chất vật lý

• Nhôm có thể dễ dàng nhận biết nhờ màu trắng bạc với một chút ánh xanh.
• Nhôm nguyên chất là kim loại mềm nhưng trở nên cứng và bền hơn khi được hợp kim hóa.
• Do tính mềm của nhôm nên có thể được đập thành những tấm rất mỏng.
• Vật liệu này có tính dẻo, cho phép định hình hoặc uốn cong theo nhu cầu của dự án.
• Nhôm là chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và chống ăn mòn bằng cách tạo thành lớp oxit bảo vệ.

1.8 Tính chất hóa học

• Nhôm thể hiện nhiều tính chất hóa học khác nhau và chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất trong quặng bauxit, là hỗn hợp của nhôm, oxy và các nguyên tố khác. Bauxit là nguồn chính của nhôm.
• Khi tiếp xúc với oxy, nhôm phản ứng chậm để tạo thành lớp nhôm oxit bảo vệ.
• Nhôm phản ứng với nhiều chất lỏng, bao gồm axit nóng và nước nóng.
• Nó cũng phản ứng với các bazơ như nước vôi và natri hiđroxit và tạo thành hợp kim có độ bền cao khi kết hợp với các nguyên tố như magie, đồng và silic.

1.9 Sự thay đổi mật độ trong hợp kim nhôm

• Hiệu ứng hợp kim:Các nguyên tố hợp kim như Mg, Si, Cu và Zn gây ra những thay đổi nhỏ về mật độ trong hợp kim nhôm, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và tính linh hoạt của chúng.
• Các yếu tố khác:Quá trình chế biến, kích thước hạt, nhiệt độ, độ cứng, xử lý nhiệt, lớp phủ, độ hydrat hóa và tạp chất cũng ảnh hưởng đến mật độ.
• Phạm vi mật độ:Mật độ nhôm nguyên chất là khoảng 0,1 lb/in³ (2.700 kg/m³). Hợp kim nhôm có sự thay đổi đôi chút nhưng vẫn nhẹ hơn nhiều so với thép.

2.0 Tác động của mật độ nhôm lên thiết kế công nghiệp và ứng dụng

Thiết kế nhẹ

Được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và đường sắt để giảm trọng lượng và cải thiện hiệu quả năng lượng.

Ví dụ: Cửa ô tô bằng hợp kim nhôm nhẹ hơn cửa thép từ 30–50%.

Sự cân bằng giữa chi phí, mật độ và sức mạnh

Mật độ thấp không phải lúc nào cũng có nghĩa là tốt hơn; độ bền và độ cứng phải được xem xét để có thiết kế tối ưu.

Độ bền riêng (tỷ lệ độ bền trên trọng lượng) là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất vật liệu.

Ưu điểm của thanh nhôm định hình và ống rỗng

Cấu trúc rỗng + mật độ thấp = hiệu suất vượt trội trên mỗi đơn vị thể tích.

3.0 Tại sao mật độ nhôm lại quan trọng trong gia công CNC

Hiệu quả xử lý và xử lý vật liệu

• Mật độ thấp của nhôm có nghĩa là nó nhẹ hơn và dễ xử lý hơn thép hoặc titan, giúp cải thiện hiệu quả gia công.
• Vật liệu nhẹ hơn giúp giảm tải cho máy CNC, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ và giảm nhu cầu bảo trì.

Lực cắt và mài mòn dụng cụ

• Gia công nhôm cần lực cắt thấp hơn, giúp giảm mài mòn dụng cụ và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.
• Lực cắt giảm cho phép tốc độ cắt và tốc độ chạy dao cao hơn, giúp tăng năng suất.

Quản lý nhiệt

• Tính dẫn nhiệt tốt của nhôm giúp tản nhiệt trong quá trình gia công, ngăn ngừa hiện tượng giãn nở vì nhiệt, cong vênh hoặc biến dạng.
• Quản lý nhiệt hiệu quả đảm bảo độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt hoàn thiện.

Tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR)

• Mật độ thấp dẫn đến MRR cao hơn so với vật liệu dày đặc hơn, cho phép loại bỏ vật liệu nhanh hơn và rút ngắn thời gian gia công.

Độ chính xác về kích thước và độ hoàn thiện bề mặt

• Khả năng gia công của nhôm, nhờ vào mật độ và đặc tính cắt, cho phép kiểm soát dung sai chặt chẽ và tạo ra bề mặt hoàn thiện chất lượng cao, rất cần thiết cho các ứng dụng chính xác.

4.0 Mối quan hệ giữa mật độ và các tính chất khác

1. Tác động của trạng thái xử lý nhiệt: Các phương pháp xử lý nhiệt như T6, T4 và O không làm thay đổi đáng kể khối lượng riêng của nhôm nhưng có thể ảnh hưởng đôi chút đến thể tích, tác động đến các tính toán lý thuyết.
2. Mối quan hệ với Độ dẫn nhiệt: Nhôm có độ dẫn nhiệt cao (~235 W/m·K) kết hợp với mật độ thấp, khiến nó trở thành vật liệu tản nhiệt tuyệt vời (ví dụ: bộ tản nhiệt, giá đỡ đèn LED).
3. Sự đánh đổi với Điện Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm thấp hơn đồng, nhưng mật độ của nó chỉ bằng khoảng một phần ba đồng, đó là lý do tại sao nhôm được sử dụng rộng rãi để thay thế trong truyền tải điện cao thế.

5.0 Các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ nhôm

Các nguyên tố hợp kim: Nhôm thường được hợp kim hóa với các kim loại như đồng, magiê, mangan, silic và kẽm để cải thiện các tính chất cơ học. Các nguyên tố này làm thay đổi một chút mật độ hợp kim cuối cùng, thường dao động từ 2,66 g/cm³ đến 2,80 g/cm³ tùy thuộc vào thành phần.

Nhiệt độ: Giống như hầu hết các vật liệu khác, mật độ của nhôm giảm khi nhiệt độ tăng do giãn nở vì nhiệt và tăng khi nguội do co lại. Hiệu ứng giãn nở/co lại vì nhiệt phải được xem xét trong các ứng dụng có sự thay đổi nhiệt độ lớn.

Độ xốp: Các quy trình sản xuất có thể tạo ra độ xốp trong nhôm, làm giảm mật độ tổng thể của nhôm. Đúc có thể tạo ra các lỗ rỗng hoặc lỗ chân lông bên trong vật liệu, trong khi các kỹ thuật sản xuất tiên tiến (bao gồm gia công CNC) giảm thiểu độ xốp và đảm bảo các đặc tính vật liệu nhất quán.

6.0 Cách Đo Khối Lượng Riêng Của Nhôm (Hướng Dẫn Khoa Học Phổ Thông)

6.1 Vật liệu và thiết bị cần thiết:

1. Vật kim loại nhỏ có thể chìm hoàn toàn trong nước
2. Cân có móc bên dưới để cân các vật treo, độ phân giải ít nhất 0,01 g (xem ghi chú nếu cân không có tính năng này)
3. Dây kim loại (một chiếc kẹp giấy cong sẽ phù hợp) để treo vật thể trên móc cân bằng
4. Giá đỡ hoặc bệ đỡ để giữ thăng bằng để vật thể có thể treo tự do bên dưới
5. Cốc đủ lớn để ngập hoàn toàn vật thể mà không bị đổ
6. Hỗ trợ giữ cốc dưới cân ở độ cao thích hợp
7. Nước máy
8. Máy tính
9. Sợi nylon (giống như dây câu) hoặc vật liệu nhẹ tương tự để treo vật thể
10. Găng tay nitrile dùng một lần (đặc biệt khi xử lý kim loại có thể chứa chì)
11. Tùy chọn: Kẹp để cố định giá đỡ cân bằng vào mép bàn hoặc quầy

6.2 Quy trình từng bước:

1. Tháo nắp dưới của cân để lộ móc bên trong.
2. Đặt cân lên giá đỡ có lỗ để có thể móc vào được.
3. Gắn móc dây kim loại vào móc bên trong, sau đó trừ bì (về số 0) cho cân.
4. Treo vật kim loại bằng sợi nylon vào móc bên dưới cân và cân trong không khí.
5. Đổ đầy nước vào cốc và đặt dưới vật treo.
6. Nâng cốc cho đến khi vật thể ngập hoàn toàn. Sử dụng giá đỡ để giữ cốc ở đúng độ cao. Đảm bảo không có bọt khí trên hoặc bên trong vật thể.
7. Cân vật chìm.
8. Tính mật độ bằng công thức dưới đây.
9. So sánh mật độ tính toán được với mật độ đã biết của kim loại và hợp kim từ các bảng tham khảo.
10. Lặp lại các bước 4–9 cho các mẫu khác nếu cần.

6.3 Công thức tính mật độ:

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

Ở đâu:

• ρ = mật độ của vật thể (g/cm³)
• không khí = khối lượng của vật trong không khí (g)
• m_nước = khối lượng biểu kiến của vật khi nhúng vào nước (g)
• ρ_nước = khối lượng riêng của nước (khoảng 0,998 g/cm³ ở 20°C hoặc 0,997 g/cm³ ở 25°C)

Tài liệu tham khảo:

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