1.0基本定义和数值描述
铝是一种流行的工业材料，因为它密度低（约为钢的三分之一），而且强度重量比高。这使得它重量轻但强度高，易于加工，适用于多种工业用途。
1.1什么是密度？
密度是指单位体积物质的质量。它通常用希腊字母ρ（rho）或字母D（例如 密度）。从数学上讲，密度定义为质量与体积的比率：
ρ = 米 / V
在哪里：
ρ = 密度
m = 质量
V = 体积
定义
密度是单位体积物质所含质量的量。也就是说，
ρ=M/V
其中，M为质量，V为物体的体积。对于质量分布均匀的物质，密度公式可以简化为这个基本数学形式。
换句话说，密度被定义为质量与体积的“比率”。
1.2铝的基本密度数据
- 铝的密度约为 2,710 千克/立方米.
- 铝合金具有相似的密度，通常范围为 2,640 至 2,810 千克/立方米.
1.3纯铝的密度是多少？
密度是指物质单位体积内所含的质量。
纯铝的密度约为 2.7克/立方厘米，但根据其物理状态可能会略有不同。
- 固体状态下，纯铝的密度为 2,699 公斤/米
- 液体状态下，密度在 2,697 和 2,699 千克/立方米.
- 例如， 973千，液态铝的密度为 2,357 千克/立方米;
- 在 1,173千，它减少到 2,304 千克/立方米.
1.4与常见金属的密度比较：
| 金属或合金 | 密度（克/立方厘米） |
| 铝 | 2.71 |
| 铝合金 | 2.66–2.84 |
| 锌 | 7.13 |
| 铁 | 7.20 |
| 碳钢 | 7.86 |
| 铜 | 8.94 |
| 带领 | 11.33 |
| 金子 | 19.30 |
1.5铝因其独特的密度而具有的关键优势
- 轻的：低密度使铝质轻且易于处理，是飞机制造的理想选择。
- 耐腐蚀性：形成防止生锈和腐蚀的保护性氧化层。
- 可回收利用：100% 可回收，环保，回收成本低，且不会造成质量损失。
- 高导电性：电导率是同等重量铜的两倍；优良的热导体
1.6铝材料的密度差异
纯铝的密度通常约为 2.7 g/cm³，但合金化会导致密度略有变化。较重的合金元素会增加重量。例如，1xxx 系列合金接近纯铝，纯度为 99%，被认为是商用铝。
相比之下，7xxx 和 8xxx 系列合金的密度最高可达 2.9 g/cm³ 左右。具体来说，7075 铝合金的密度为 2.81 g/cm³，高于其他合金，并且是目前最坚固的铝合金之一——其抗拉强度几乎是 6061 铝合金的两倍。
有趣的是，主要与硅合金化的 4xxx 系列合金的密度可以低于纯铝的 2.7 g/cm³，因为硅降低了铝的密度。
1.7物理性质
- 铝很容易辨认，因为它呈银白色，略带蓝色。
- 纯铝是一种柔软的金属，但合金化后会变得更硬、更坚固。
- 由于铝质柔软，因此可以锤打成非常薄的薄片。
- 它具有延展性，可以根据项目需要成型或弯曲。
- 铝是优良的电和热导体，并能形成保护性氧化物涂层来抵抗腐蚀。
1.8化学性质
- 铝具有多种化学性质，主要以化合物的形式存在于铝土矿中。铝土矿是铝、氧和其他元素的混合物。铝土矿是铝的主要来源。
- 当暴露在氧气中时，铝会缓慢发生反应，形成一层氧化铝保护层。
- 铝与许多液体发生反应，包括热酸和热水。
- 它还与石灰水和氢氧化钠等碱发生反应，并与镁、铜和硅等元素结合形成高强度合金。
1.9铝合金的密度变化
- 合金效果：Mg、Si、Cu、Zn等合金元素会导致铝合金的密度发生轻微变化，从而影响其机械性能和多功能性。
- 其他因素：加工、晶粒尺寸、温度、硬化、热处理、涂层、水化和杂质也会影响密度。
- 密度范围：纯铝的密度约为0.1磅/立方英寸（2,700千克/立方米）。铝合金的密度略有不同，但仍然比钢轻得多。
| 铝合金的室温密度值 | ||
| 铝合金 | 密度 | |
| 克/厘米3 | 磅米 / 在3 | |
| 铝合金 1100 | 2.710 | 0.098 |
| 铝合金 2014 | 2.800 | 0.101 |
| 铝合金2024 | 2.780 | 0.100 |
| 铝合金 3003 | 2.730 | 0.099 |
| 铝合金 3004 | 2.720 | 0.098 |
| 铝合金 3005 | 2.730 | 0.098 |
| 铝合金 3105 | 2.720 | 0.098 |
| 4043铝合金 | 2.690 | 0.097 |
| 铝合金 5005 | 2.700 | 0.098 |
| 5050铝合金 | 2.690 | 0.097 |
| 5052铝合金 | 2.680 | 0.097 |
| 铝合金 5083 | 2.660 | 0.096 |
| 铝合金 5086 | 2.660 | 0.096 |
| 铝合金 5154 | 2.660 | 0.096 |
| 铝合金 5183 | 2.660 | 0.096 |
| 5356铝合金 | 2.640 | 0.096 |
| 铝合金 5454 | 2.690 | 0.097 |
| 铝合金 5456 | 2.660 | 0.096 |
| 5554铝合金 | 2.690 | 0.097 |
| 5556铝合金 | 2.660 | 0.096 |
| 铝合金 5654 | 2.660 | 0.096 |
| 铝合金 6005 | 2.700 | 0.097 |
| 6061铝合金 | 2.700 | 0.098 |
| 6063铝合金 | 2.700 | 0.097 |
| 6066铝合金 | 2.720 | 0.098 |
| 6070铝合金 | 2.710 | 0.098 |
| 6105铝合金 | 2.690 | 0.097 |
| 6351铝合金 | 2.710 | 0.098 |
| 6463铝合金 | 2.690 | 0.097 |
| 7075铝合金 | 2.810 | 0.101 |
2.0铝密度对工业设计和应用的影响
轻量级设计
广泛应用于汽车、航空航天和铁路行业，以减轻重量并提高能源效率。
例如：铝合金车门比钢制车门轻30-50%。
成本、密度和强度的平衡
低密度并不总是意味着更好；必须考虑强度和刚度才能实现最佳设计。
比强度（强度与重量的比）是材料性能评估的关键指标。
铝型材和空心管的优势
中空结构+低密度=单位体积的卓越性能。
3.0为什么铝密度在数控加工中如此重要
材料处理和加工效率
- 铝的密度低意味着它比钢或钛更轻且更容易处理，从而提高了加工效率。
- 更轻的材料可减少数控机床的负荷，延长刀具寿命并降低维护成本。
刀具磨损和切削力
- 加工铝所需的切削力较低，从而减少刀具磨损并延长刀具寿命。
- 降低切削力可以提高切削速度和进给速度，从而提高生产率。
热管理
- 铝的良好导热性有助于在加工过程中散热，防止热膨胀、翘曲或变形。
- 高效的热管理确保尺寸精度和表面光洁度质量。
材料去除率（MRR）
- 与密度较高的材料相比，低密度可产生更高的 MRR，从而实现更快的材料去除和更短的加工时间。
尺寸精度和表面光洁度
- 铝的可加工性，得益于其密度和切割特性，可以实现严格的公差控制和高质量的表面处理，这对于精密应用至关重要。
4.0密度与其他性质的关系
- 热处理状态的影响： T6、T4 和 O 等热处理不会显著改变铝的密度，但会略微影响体积，从而影响理论计算。
- 关系 热导率: 铝具有高热导率（~235 W/m·K）和低密度，使其成为散热的优良材料（例如散热器、LED 支架）。
- 与电气的权衡 电导率: 铝的电导率低于铜，但其密度仅为铜的三分之一左右，因此在高压输电中广泛使用铝作为替代品。
5.0影响铝密度的因素
合金元素： 铝通常与铜、镁、锰、硅和锌等金属制成合金，以改善机械性能。这些元素会略微改变最终合金的密度，通常在 2.66 g/cm³ 到 2.80 g/cm³ 之间，具体取决于成分。
温度： 与大多数材料一样，铝的密度会随着温度升高而因热膨胀而减小，而随着温度降低而因收缩而增大。在温度变化较大的应用中，必须考虑热胀冷缩效应。
孔隙度: 制造工艺会使铝产生孔隙，从而降低其整体密度。铸造工艺可能会在材料内部产生空隙或孔洞，而先进的制造技术（包括数控加工）可以最大限度地减少孔隙率，并确保材料性能的一致性。
6.0如何测量铝的密度（科普指南）
6.1所需材料和设备：
- 可以完全浸入水中的小金属物体
- 带有下方挂钩的天平，用于称量悬挂物体，分辨率至少为 0.01 克（如果天平没有此功能，请参阅说明）
- 用金属丝（弯曲的回形针效果很好）将物体悬挂在平衡钩上
- 支撑架或平台以保持平衡，使物体可以自由悬挂在下面
- 烧杯足够大，可以完全浸没物体而不会溢出
- 支撑烧杯在天平下方保持正确的高度
- 自来水
- 计算器
- 尼龙线（如钓鱼线）或类似的轻质材料来悬挂物体
- 一次性丁腈手套（特别是在处理可能含铅的金属时）
- 可选：夹具将平衡架固定在桌子或柜台的边缘
6.2分步程序：
- 取下天平的底盖，露出内部的挂钩。
- 将天平放置在有孔的支架上，以便可以接触到挂钩。
- 将金属丝钩连接到内部钩上，然后将天平去皮（归零）。
- 使用尼龙线将金属物体悬挂在天平下方的钩子上，并在空中称重。
- 将烧杯装满水并将其放在悬挂物体下方。
- 抬起烧杯，直到物体完全浸没。用支架将烧杯保持在合适的高度。确保物体表面和内部没有气泡。
- 称量浸没的物体。
- 使用以下公式计算密度。
- 将计算出的密度与参考表中已知的金属和合金的密度进行比较。
- 如果需要，对其他样本重复步骤 4-9。
6.3密度计算公式：
ρ = (m_air) / (m_air – m_water) × ρ_water
在哪里：
- ρ = 物体的密度（g/cm³）
- m_air = 物体在空气中的质量（g）
- m_water = 物体浸入水中时的表观质量（g）
- ρ_水 = 水的密度（20°C 时约为 0.998 g/cm³ 或 25°C 时约为 0.997 g/cm³）
参考：
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