Mi az alumínium sűrűsége?

Az alumínium könnyűnek tűnik és erősnek. De pontosan mitől is válik világszerte az iparágak kedvencévé?

Az alumínium sűrűsége körülbelül 2,70 g/cm3 , így az egyik legkönnyebb fém, amelyet a gyártásban használnak. Ez az alacsony sűrűség kulcsfontosságú szerepet játszik az alkalmazásokban a repüléstől az építészetig.

A sűrűség ismerete csak a kezdet. A mélyebb történet az, hogy hogyan mérik, hogyan hasonlítják össze az acélhoz, hogyan változtatja meg az ötvözés, és hogyan befolyásolja a hőmérséklet. Vizsgáljuk meg.

Hogyan mérik az alumínium sűrűségét?

Amikor az alumínium sűrűségéről beszélünk, általában arra gondolunk, hogy mennyi tömeg fér el egy adott térfogatban. De hogyan mérik ezt a laboratóriumok és a mérnökök a valóságban?

Az alumínium sűrűségének mérése egyszerű fizikai módszerrel történik: osszuk el a minta tömegét a térfogatával. Ezt vízkiszorítással (Arkhimédész elve) vagy egy piknométer nevű laboratóriumi eszközzel lehet elvégezni.

Az alumínium sűrűségének mérése az alapvető fizikai alapokkal kezdődik:

Arkhimédész elve

Ez a módszer vizet használ a térfogat meghatározásához:

1. Először is, mérjük meg az alumíniumdarabot levegőben.
2. Ezután vízbe merítjük, és feljegyezzük, hogy mennyi vizet szorít ki.
3. Mivel a víz sűrűsége ismert (1 g/cm3), az elmozdult térfogat megadja az alumínium térfogatát.

Ez a módszer nagyszerűen működik szabálytalan formák, például öntött alkatrészek vagy egyedi alumínium extrudálások esetén.

Piknométeres módszer

A piknométer egy keskeny nyakú lombik. Így működik:

• Megtöltjük vízzel és lemérjük.
• Ezután hozzáadjuk az alumíniumdarabot, és megfigyeljük a víz térfogatának változását.
• A precíz eszközökkel ez a módszer nagy pontosságot kínál, és ideális a kutatólaboratóriumokban.

Mindkét módszer célja egy dolog megállapítása: az, hogy az alumínium atomok milyen szorosan vannak egy adott térben.

Gyakori hibák a mérés során:

• A légbuborékok figyelmen kívül hagyása a minta alámerítésekor.
• A használata tisztátalan víz vagy meleg víz, ami torzíthatja a mennyiséget.
• Mérési hibák az egyensúly kalibrálása miatt.

Hogyan viszonyul az alumínium sűrűsége az acélhoz?

Az acél és az alumínium gyakran fej-fej mellett halad a gépészetben. De ha a súly számít, ki nyer?

Az alumínium sokkal könnyebb, mint az acél. Sűrűsége körülbelül 2,70 g/cm3 , míg az acélé 7,80 g/cm3 . Ez azt jelenti, hogy az alumínium súlya közel egyharmada az acélénak.

Íme egy gyors összehasonlítás:

Ez a különbség teszi az alumíniumot ideálissá a következőkhöz:

• Repülőgép-szerkezetek: Kevesebb súly = nagyobb üzemanyag-hatékonyság.
• Elektromos járművek: A könnyebb testek nagyobb hatótávolságot jelentenek.
• Emelőrendszerek és robotika: Kevésbé terheli a mozgó alkatrészeket.

Az acélnak is megvannak azonban az előnyei. Sok alkalmazásban erősebb és tartósabb. A kettő közötti választás gyakran a következőkön múlik:

• Szilárdság-tömeg arány
• Költségek
• Korrózióállóság
• Alakíthatóság

Az olyan iparágakban, mint az építőipar, az alumíniumot gyakran használják ablakkeretekhez és homlokzatokhoz, míg az acélt szerkezeti gerendákhoz és megerősítésekhez.

Vajon az ötvözés megváltoztatja az alumínium sűrűségét?

A tiszta alumíniumot ritkán használják nagy igénybevételű alkalmazásokban. Ehelyett alumíniumötvözeteket használunk. De vajon más fémek hozzáadása megváltoztatja a sűrűséget?

Igen, az ötvözés megváltoztatja az alumínium sűrűségét, de nem sokkal. A leggyakoribb alumíniumötvözetek sűrűsége még mindig 2,68 és 2,85 g/cm3 között van.

Nézzünk meg néhány népszerű ötvözetet:

A sűrűségváltozást általában a következők okozzák:

• Nehezebb ötvözőelemek mint a cink és a réz.
• Mikroszerkezet-hogy az atomok össze vannak pakolva.
• Hőkezelés, ami megváltoztathatja a fémszemcsék alakját és igazodását.

Miért fontos

A repülőgépek és a nagysebességű vonatok esetében minden gramm számít. Egy sűrűbb ötvözet nagyobb súlyt és nagyobb üzemanyag-fogyasztást jelenthet. Ezért a mérnökök olyan ötvözeteket választanak, amelyek egyensúlyt teremtenek a szilárdság és a súly között.

Bizonyos felhasználási módok - mint például a magas hőmérsékletű környezet vagy a korróziós környezet - esetében azonban az ötvözet előnyei felülmúlják a sűrűség enyhe növekedését.

Miért befolyásolja a hőmérséklet az alumínium sűrűségét?

A fémekről általában azt gondoljuk, hogy szilárdak és stabilak. A hő azonban mindent megváltoztat - még az alumíniumot is.

Amikor az alumíniumot felmelegítik, kitágul. Mivel a térfogat nő, a tömeg pedig változatlan marad, a sűrűsége csökken. A hűtés éppen ellenkező hatást fejt ki.

A következő történik:

Magas hőmérsékleten

• Az alumíniumatomok jobban rezegnek és eltávolodnak egymástól.
• Ez növeli a hangerőt.
• A térfogat növekedésével és a tömeg változatlanul hagyásával a sűrűség csökken.

Alacsony hőmérsékleten

• Az atomok összehúzódnak és közelebb kerülnek egymáshoz.
• A hangerő csökken.
• A sűrűség enyhén emelkedik.

Az egyenlet ugyanaz marad:

[
\text{Sűrűség} = \frac{\text{Tömeg}}{\text{Térfogat}}
]

De mivel a hőmérséklet befolyásolja a térfogatot, a sűrűség is változik. Ez a változás kicsi, de kritikus az olyan iparágakban, mint például:

• Repülőgépipar: Az alkatrészeknek el kell viselniük az extrém hideget nagy magasságban és a hőséget a visszatérés során.
• Elektronika: Az alumínium hűtőbordák a hőmérséklettel együtt tágulnak.
• Építés: A hidak és a panelek naponta tágulnak és összehúzódnak.

Hőmérséklet vs. sűrűség táblázat

A precíz alkalmazásokban még a kis változások is számítanak. A mérnökök az alkatrészek tervezésekor gyakran figyelembe veszik a hőtágulási együtthatókat.

Következtetés

Az alumínium sűrűsége - körülbelül 2,70 g/cm3 - az egyik legsokoldalúbb, legkönnyebb fém az iparban. Bár az ötvözés és a hőmérséklet befolyásolja, alapvető előnye továbbra is az erős teljesítmény és az alacsony súly.