Плотность алюминия в расплавленном состоянии

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/м3.
• Для плотности алюминия часто применяется более наглядная размерность г/см3.

Плотность алюминия в кг/м3 в тысячу раз больше, чем в г/см3.

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 м3/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].

Удельная теплоемкость алюминия

Удельная теплоемкость алюминия существенно зависит от температуры и при комнатной температуре составляет величину около 904 Дж/(кг·град), что значительно выше удельной (массовой) теплоемкости других распространенных металлов, например таких, как медь и железо.

Ниже приведена сравнительная таблица значений удельной теплоемкости этих металлов. Значения теплоемкости в таблице находятся в интервале температуры от -223 до 927°С.

По данным таблицы видно, что величина удельной теплоемкости алюминия значительно выше значения этого свойства у меди и железа, поэтому такое свойство алюминия, как возможность хорошо накапливать тепло, широко применяется в промышленности и теплотехнике, делая этот металл незаменимым.

Плотность алюминия

Теоретическая плотность алюминия

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

• 2698,72 кг/м3.

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/см3.

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

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения. Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства алюминия:

• плотность алюминия, г/см 3 ;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент температуропроводности, м 2 /с;
• теплопроводность алюминия, Вт/(м·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• функция Лоренца.

Читать также: Продукция черной металлургии это

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:

• кремний (2,33 г/см³),
• магний (1,74 г/см³),
• литий (0,533 г/см³).

Легирующие элементы тяжелее алюминия:

• железо (7,87 г/см³),
• марганец (7,40 г/см³),
• медь (8,96 г/см³),
• цинк (7,13 г/см³).

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

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.

Читать также: Как лучше сверлить плитку

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

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].

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.

Читать также: Цепь для бензопилы makita

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:

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/см3.
• В сплаве 2091 номинальное содержание лития составляет 2,2 %, а номинальная плотность – 2,58 г/см3.
• У сплава 8090 при содержании лития 2,0 % плотность составляет 2,55 г/см3.

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.

  
  Алюминий,теплоемкий и пластичный , образует различные сплавы

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.