Что значит плотность алюминия

Плотность алюминия

Плотность алюминия и другие его физические свойства

При комнатной температуре алюминий не изменяется на воздухе, но лишь потому, что его поверхность покрыта тонкой пленкой оксида, обладающего очень сильным защитным действием.

Рис. 1. Алюминий. Внешний вид.

Алюминий характеризуется большой тягучестью и высокой электропроводностью, составляющей приблизительно 0,6 электропроводности меди. С этим связано его использование в производстве электрических проводов (которые при сечении, обеспечивающем равную электропроводность, вдвое легче медных). Важнейшие константы алюминия представлены в таблице ниже:

Таблица 1. Физические свойства и плотность алюминия.

Плотность, кг/м 3

Температура плавления, o С

Температура кипения, o С

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25 o С, кДж/моль

Распространенность алюминия в природе

По содержанию в земной коре алюминий занимает третье место (8,3 мас. %), уступая только кислороду (45,5 мас. %) и кремнию (25,7 мас.%). Алюминий — наиболее распространенный металл, его важнейшими рудами и минералами являются бокситы (Al₂O₃×2Н₂O), корунд (Al₂O₃) и нефелин (Na₃K[AlSiO₄]₄), также он входит в состав полевых шпатов, слюд, глин и др.

Краткое описание химических свойств и плотность алюминия

При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.

2Al + 3F₂ = 2AlF₃ (t o = 600 o C);

2Al + 2S = Al₂S₃ (t o = 150 – 200 o C);

2Al + N₂ = 2AlN (t o = 800 – 1200 o C);

4Al + P₄ = 4AlPt o = 500 – 800 o C, в атмосфере H₂);

4Al + 3C = Al₄C₃ (t o = 1500 – 1700 o C).

По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Сильно разбавленные, а также очень концентрированные растворы азотной и серной кислот на алюминий почти не действуют, тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется.

По отношению к уксусной и ортофосфорной кислотам алюминий устойчив. Чистый металл довольно устойчив также и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический в ней растворяется. Алюминий легко растворим в сильных щелочах:

Примеры решения задач

Задание	Вычислите плотность по водороду смеси 25 л азота и 175 л кислорода.
Решение	Найдем объемные доли веществ в смеси:

j (N₂) = 25 / (25 + 175) = 25 / 200 = 0,125.

j (O₂) = 175 / (25 + 175) = 175 / 200 = 0,875.

Объемные доли газов будут совпадать с молярными, т.е. с долями количеств веществ, это следствие из закона Авогадро. Найдем условную молекулярную массу смеси:

M_r conditional (mixture) = 0,125 × 28 + 0,875 × 32 = 3,5 + 28 = 31,5.

Найдем относительную плотность смеси по водороду:

Ответ Плотность по водороду смеси, состоящей из азота и кислорода равна 15,75.

Задание	Рассчитайте плотности газов водорода H2 и метана CH4 по воздуху.
Решение	Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.

Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух – это смесь газов.

Источник

Плотность алюминия

Алюминий – легкий конструкционный материал

Малая плотность является одним из главных преимуществ алюминия по сравнению с другими конструкционными металлами.

Прочность на единицу плотности алюминия
по сравнению с другими металлами и сплавами [3]

Плотность цветных металлов

Плотность алюминия в сравнении с плотностью других легких металлов:

• алюминий: 2,70 г/см 3
• титан: 4,51 г/см 3
• магний: 1,74 г/см 3
• бериллий: 1,85 г/см 3

Плотность материалов

Единица измерения

Плотность алюминия и любого другого материала – это физическая величина, определяющая отношения массы материала к занимаемому объему.

• Единицей измерения плотности в системе СИ принята размерность кг/м 3 .
• Для плотности алюминия часто применяется более наглядная размерность г/см 3 .

Плотность алюминия в кг/м 3 в тысячу раз больше, чем в г/с м 3 .

Удельный вес

Для оценки количества материала в единице объема часто применяют такую не системную, но более наглядную единицу измерения как «удельный вес». В отличие от плотности удельный вес не является абсолютной единицей измерения. Дело в том, что он зависит от величины гравитационного ускорения g, которая меняется в зависимости от расположения на Земле.

Зависимость плотности от температуры

Плотность материала зависит от температуры. Обычно она снижается с увеличением температуры. С другой стороны, удельный объем – объем единицы массы – возрастает с увеличением температуры. Это явление называется температурным расширением. Оно обычно выражается в виде коэффициента температурного расширения, который дает изменение длины на градус температуры, например, мм/мм/ºС. Изменение длины легче измерить и применять, чем изменение объема.

Удельный объем

Удельный объем материала – это величина, обратная плотности. Она показывает величину объема единицы массы и имеет размерность м 3 /кг. По удельному объему материала удобно наблюдать изменение плотности материалов при нагреве-охлаждении.

На рисунке ниже показано изменение удельного объема различных материалов (чистого металла, сплава и аморфного материала) при увеличении температуры. Пологие участки графиков – это температурное расширение для всех типов материалов в твердом и жидком состоянии. При плавлении чистого металла происходит скачок повышения удельного объема (снижения плотности), при плавлении сплава – быстрое его повышение по мере расплавления в интервале температур. Аморфные материалы при плавлении (при температуре стеклования) увеличивают свой коэффициент температурного расширения [2].

Плотность алюминия

Теоретическая плотность алюминия

Плотность химического элемента определяется его атомным номером и другими факторами, такими как атомный радиус и способ упаковки атомов. Т еоретическая плотность алюминия при комнатной температуре (20 °С) на основе параметров его атомной решетки составляет:

Плотность алюминия: твердого и жидкого

График зависимости плотности алюминия в зависимости от температуры представлена на рисунке ниже [1]:

• С повышением температуры плотность алюминия снижается.
• При переходе алюминия из твердого в жидкое состояние его плотность снижается скачком с 2,55 до 2,34 г/см 3 .

Плотность алюминия в жидком состоянии – расплавленного чистого алюминия 99,996 % – при различных температурах представлена в таблице.

Алюминиевые сплавы

Влияние легирования

Различия в плотности различных алюминиевых сплавов обусловлены тем, что они содержат различные легирующие элементы и в разных количествах. С другой стороны, одни легирующие элементы легче алюминия, другие – тяжелее.

Легирующие элементы легче алюминия:

Легирующие элементы тяжелее алюминия:

Влияние легирующих элементов на плотность алюминиевых сплавов демонстрирует график на рисунке ниже [1].

Самые легкие и самые тяжелые алюминиевые сплавы

• Одним из самых легких алюминиевым сплавом является зарубежный литейный сплав 518.0 (7,5-8,5 % магния) – 2,53 г на кубический сантиметр [1]. Отечественный сплав АМг11 (АЛ22) содержит еще больше магния – от 10,5 до 13,0 %. Поэтому, надо думать, он еще легче, но точных данных у нас нет!
• Самыми тяжелыми алюминиевыми сплавами являются зарубежные литейные сплавы 222.0 и 238.0 с номинальным содержанием меди 10 %. Их номинальная плотность – 2,95 г на кубический сантиметр [1].
• Самый легкий деформируемый сплав – алюминиево-литиевый сплав 8090 с номинальным содержанием лития 2,0 %. Его номинальная плотность – 2,55 г на кубический сантиметр [1].
• Самые тяжелые деформируемые алюминиевые сплавы – сплав В95 и зарубежный сплав 7175: 2,85 г на кубический сантиметр [4].

Плотность промышленных алюминиевых сплавов

Плотность алюминия и алюминиевых сплавов, которые применяются в промышленности, представлены в таблице ниже для отожженного состояния (О). В определенной степени она зависит от состояния сплава, особенно для термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

Влияние легирующих элементов алюминиевых сплавов на плотность и модуль Юнга [3]

Алюминиево-литиевые сплавы

Самую малую плотность имеют знаменитые алюминиево-литиевые сплавы.

• Литий является самым легким металлическим элементом.
• Плотность лития при комнатной температуре составляет 0,533 г/см³ – этот металл может плавать в воде!
• Каждый 1 % лития в алюминии снижает его плотность на 3 %
• Каждый 1 % лития увеличивает модуль упругости алюминия на 6 %. Это очень важно для самолетостроения и космической техники.

Популярными промышленными алюминиево-литиевыми сплавами являются сплавы 2090, 2091 и 8090:

• Номинальное содержание лития в сплаве 2090 составляет 1,3 %, а номинальная плотность – 2,59 г/см 3 .
• В сплаве 2091 номинальное содержание лития составляет 2,2 %, а номинальная плотность – 2,58 г/см 3 .
• У сплава 8090 при содержании лития 2,0 % плотность составляет 2,55 г/см 3 .

Приложение

Таблица П1 – Номинальная плотность деформируемых марок алюминия и алюминиевых сплавов по ГОСТ 4784-97

Таблица П2 – Номинальная плотность зарубежных деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Источники:
1. Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 1993.
2. FUNDAMENTALS OF MODERN MANUFACTURING – Materials, Processes, and Systems /Mikell P. Groover – JOHN WILEY & SONS, INC., 2010
3. TALAT 1501
4. ГОСТ 4784-97

Источник

Параметр плотности алюминия и его сплавов.

Плотность алюминия как физическая характеристика металла используется при формировании сплавов и учитывается при выборе способа их обработки.

Свойства металла

Алюминий представляет собой пластичный легкий металл серебристого цвета. Для ученых — это химический элемент с атомным номером 13. Он обладает устойчивостью к коррозии за счет образования тонкой защитной оксидной пленки, которая разрушается при реакции со щелочами или ртутью. Имеет высокую теплопроводность.

Впервые химический элемент был извлечен в результате взаимодействия соединения ртути и калия на хлорид металла. До разработки промышленной технологии получения этот химический элемент ценился наряду с золотом.

Метод получения чистого материала, который применяется в промышленности, заключается в растворении оксида металла в криолите с последующим электролизом.

Химический элемент является самым распространенным в природе. Среди наиболее известных минеральных соединений находятся такие руды:

• бокситы, содержащие оксид алюминия с примесями соединений железа и кремния;
• нефелины;
• глиноземы;
• полевые шпаты,
• каолинит — минерал, образованный в результате разрушения пород;
• бериллы, среди которых находятся драгоценные камни аквамарин и изумруд;
• александрит;
• корунд — минерал твердостью 9, уступающий алмазу.

Самородный химический элемент встречается редко в особых условиях с восстановительной средой. В водах химический элемент находится в виде соединения с фтором. Концентрация в морской воде достигает показателя 0,01 мг/л.

Показатель плотности металла

Параметр плотности любого вещества рассчитывается как соотношение массы к объему и измеряется в г/ см³. Использование этого показателя для арифметических расчетов позволяет определить вес заготовок или изделий.

Часто для оценки количества материала в единице объема используют показатель удельного веса, который в отличие от плотности имеет только количественную характеристику.

Алюминий, плотность которого составляет 2712 кг/м3, является самым популярным материалом для различных отраслей промышленного производства. Благодаря особым физическим и химическим характеристикам металл используют в качестве лигатурного компонента сплава с золотом.

Температура плавления равна 660 °C. Кипит металл при температуре 2519 °C. Плотность жидкого металла составляет 2560–2640 кг/м3, в твердом состоянии показатель равен 2712 кг/м3. Расплавленный химически чистый металл при температуре 660 °C имеет плотность 2,368 г/см³, а при 1173 °C – 2,304 г/см³.

Алюминий обладает высокой теплопроводностью, которая учитывается наряду с физическими параметрами состава. Плотность алюминиевых сплавов незначительно отличается от показателя плотности для чистого металла.

Технические параметры сплавов на основе алюминия

Наличие лигатуры в составе практически не влияет на упругость материала, но увеличивает текучесть, что позволяет использовать его для производства конструкций с разным уровнем нагрузки.

Предел прочности или устойчивости материала к разрушению или деформации под воздействием механических нагрузок зависит от типа обработки и его состава. Для сплавов металла он составляет 38–42 кг/мм², литого алюминия 10–12 кг/мм, деформируемого – 18–25 кг/мм².

Чистый материал обладает высокой пластичностью, а наличие лигатурных компонентов изменяет свойства состава, что позволяет применять материал в разных сферах производства.

Большинство сплавов с большей степенью легирования имеют низкий показатель электропроводности. Теплопроводность многих составов вдвое ниже, чем у чистого алюминия, но этот показатель выше, чем у стали.

Наиболее известными сплавами с алюминием являются такие составы:

• дюралюминий, включающий лигатурные добавки меди и магния;
• силумин — соединение с кремнием.

Устойчивость материала к воздействию среды повышают с помощью добавок галлия, олова, индия. Наилучшие коррозионные свойства имеют сплав с марганцем и магнием, а худшие — составы с высокой прочностью.

В зависимости от номинального содержания лития, показатель плотности материала изменяется. При наличии 1,3% лития плотность составляет 2,59 г/см³, 2,2% – 2,58 г/см³, 2,0% – 2,55 г/см³.

Устойчивость к воздействию внешних условий зависит от режима обработки материала. Многие составы, упрочняемые термическим путем, подвержены коррозии под напряжением.

Среди составов на основе алюминия хорошо сваривается авиаль — авиационный алюминий, в составе которого находятся магний, кремний и примеси марганца, меди и хрома. Для большинства сплавов применяется точечная сварка.

С увеличением степени легирования увеличивается прочность материалов и уменьшается пластичность. С ростом температуры прочность материалов меняется в разной степени, что определяет их применение в зависимости от диапазона температур.

Тип упрочнения составов улучшает механические свойства материала: прессованные изделия имеют высшую прочность, чем горячекатаные.

Отрасли применения алюминия

Легкость, устойчивость к коррозии позволяют применять металл в качестве конструкционного материала, из которого производят такие виды проката:

• трубы;
• ленты;
• фольгу;
• листы;
• проволоку.

1. Алюминий является популярным материалом для изготовления фольги, производства кухонной посуды. Устойчивость к коррозии и прочность сплава металла сделали его основным сырьем в строительстве самолетов и космических ракет.
2. Алюминий применяется для изготовления проводов, напыления на поверхность кристаллов микросхем. Благодаря высокой теплопроводности его применяют при изготовлении теплового оборудования.
3. Устойчивость к низким температурам позволяет использовать материал в криогенной технике. Высокий коэффициент отражения материала делает его незаменимым при изготовлении зеркал.
4. Алюминием покрывают поверхности изделий из стали для придания устойчивости к коррозионным процессам, его используют в качестве добавки к другим сплавам, например в фехраль, состоящий из хрома, кремния, марганца и железа.
5. В ювелирном производстве металл для изготовления украшений применяют в Японии. В результате формирования соединения алюминия и золота образуется аметистовое и фиолетовое золото. Фиолетовый цвет сохраняется при наличии в составе 15% алюминия. Хрупкий состав разрушается при механическом воздействии, поэтому его часто используют в качестве вставок в изделия.

   Источник

   Читайте также:  Pfr gov ru что значит gov