Плотность алюминия

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].

Как узнать вес алюминиевых листов?

Естественно, наиболее точный метод определить массу листа алюминия – взвесить его. Но это можно выполнить и при помощи довольно простых расчетов. Правда, вне зависимости от используемого способа вычислений, всегда получается теоретический показатель веса – близкий к реальной величине, который получается при взвешивании, но немного отличающееся от него. Существуют следующие способы расчета массы алюминиевого листа:
Как уже выше обозначалось, результатом вычислений является теоретический вес. Это в первую очередь объясняется тем, что при любых расчетах используют габариты изделия: ширина, толщина и длина. Их измеряют, либо используют данные, из справочника ГОСТ для алюминиевых листов. В любом случае реальные габариты будут отличаться от полученных каким-либо из этих способов. Это объясняется такими причинами.

Основная скрывается в несовершенстве сегодняшних технологий производства металлопроката, при этом любого. Изготовить изделие точно заданной величины невозможно. Именно по этой причине во всех ГОСТ (для любого сортамента), которые регламентируют требования производства и сортамент (список типоразмеров) изделий, указаны возможные отклонения по габаритам. Для алюминиевого листа такие требования прописаны в ГОСТ21631. Здесь находятся все типоразмеры изготавливаемых промышленностью изделий и отклонения их длины, толщины и ширины. В документациях и справочниках для листа указывают габариты, которые соответствуют требованиям, согласно сортаменту, не учитывая вероятные отклонения от них.

То есть, покупая алюминиевый лист с размерами, которые указаны в сопроводительной документации, можно быть абсолютно уверенным, что из упаковки, как минимум один не соответствует указанным. Допуск, если он вписывается в рамки возможных ГОСТом, будет несущественным, а, соответственно, и погрешность теоретического расчета веса небольшая. Хоть, если необходимо посчитать довольно большое количество проката, могут «вылезти» недостающие или лишние тонны.

Между прочим, согласно первому варианту расчета, выбирается теоретическое указание веса 1 метра листа по ГОСТ. Оно также рассчитывается, с учетом из стандартных размеров алюминиевого сортамента.

Измерение изделия может немного исправить ситуацию, но не всегда. Как правило, его производят по одной широкой и длинной стороне, и в одном месте с краю микрометром или штангенциркулем узнают толщину. Но показания противоположных краев могут различаться. А в промежутке углов длины и ширины также могут «плавать». Это же касается и толщины, она на какие-то сотые доли миллиметра будет изменяться по всему периметру алюминиевого изделия.

Следующий момент, который влияет на точность расчетов – это какие данные по плотности алюминия подставлялись в формулы для расчета веса. Так как вес определяется умножением объема листа на его плотность. Обозначение веса 1 метра из справочника ГОСТ и документации рассчитывали, с учетом показателя 2,85г/см3 (2850кг/м3). Эта величина относится к плотности составов В95.2, В95.1, В95 и ряда иных. Но видов алюминия и его составов великое множество, и у всех своя величина. Она, возможно, немного, но отличаться от табличного веса. И в этом случае взятый из ГОСТ показатель веса 1 метра будет еще больше отличаться от реального.

Чтобы было возможно корректировать теоретическую массу таблиц, в ГОСТ указаны переводные коэффициенты по некоторым маркам алюминиевых составов. Найдя требуемый, умножаем на него справочные показатели веса.

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.

Как узнать вес по удельной массе 1 м. кв.?

Как указанно было выше, желательно рассчитывать массу листа, с помощью таблиц. Поэтому, если они находятся под рукой, то лучше всего руководствоваться советами вышеописанной главы. Если нет, тогда этой. Вначале измеряем длину, толщину и ширину листа.
Перед тем, как вычислять вес алюминиевого листа, нужно узнать его удельный вес 1 м. кв. Для чего вначале узнаем объем 1 м. кв.:

V=LхHхT, где:

В нашем случае L и H изделия размером в 1 м. кв. равняются 1 метру, то формула получает такой вид:

V = 1х1хT.

После находим по таблицам плотность состава (P), из которого сделан лист. Если плотность указана в г/см. куб., то переводим в кг/м. куб. – умножаем табличные данные на 1000. Если под рукой нет справочника, то подставляем плотность алюминия – 2700 кг/м. куб. Определяем удельную массу: m=VхP.

Данный вес 1 м. кв. будет в килограммах. После умножаем его на длину и ширину изделия. В итоге получаем искомый вес. Можно сделать расчет без промежуточного определения удельного веса алюминия. Он описан дальше. Просто раз, узнав удельный вес алюминиевого пласта, его можно, если необходимо использовать опять, как универсальную постоянную для расчета массы листов из этого же состава и с этой же толщиной, но с разной длиной и шириной.

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].

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/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.

Расчет веса с помощью таблиц ГОСТ

Такой способ более точный, и дает возможность минимизировать вероятность математического расчета. Это обеспечивается благодаря тому, что в таблицах указаны данные веса одного погонного метра для стандартной ширины и толщины изготавливаемых алюминиевых листов. При этом в ГОСТ находится несколько таблиц – каждая учитывает определенную точность производства металлопроката.
Все данные расчетные значения были выполнены специалистами, при этом с учетом допустимых отклонений размеров и точности изготовления, и в плане теоретических они считаются самыми точными. Вероятность ошибиться снижается благодаря тому, что операций по вычислению меньше, нежели при остальных расчетах.

Чтобы узнать, сколько весит алюминиевый лист, нужно, основываясь на точности его производства, если эти данные указаны, подобрать необходимую таблицу. Если этих данных нет, то останавливаемся на таблице, которая предназначается для изделий, сделанных с допустимой точностью по толщине и ширине, так как данная продукция больше всего популярна.

Подбираем в таблице вес 1 метра, который соответствует ширине и толщине определяемого изделия. После умножаем его на длину всего металлопроката либо одного изделия. Это и является массой алюминиевого листа. Чтобы расчеты были наиболее точными, нужно учитывать марку состава, из которого произведен лист. В таблицах указаны данные для В95.2, В95.1, В95 с плотностью 2,85г/см3. Если лист сделан из другого состава, но марку вы знаете, ищем необходимый коэффициент перевода в ГОСТ. Умножаем на него определенное вами значение веса листа.

В ГОСТе указаны коэффициенты не для всех составов алюминия. Для необозначенных находится общий: алюминий другого сплава – 0,95. Можно использовать его или попытаться найти плотность состава, из которого сделан рассчитываемый лист, в иных справочных источниках. Если определенная вами величина не равняется 2,85г/см3, делаем поправку:

Делим рассчитанный вес на 2,85г/см3.
Умножаем данное значение на вашу плотность.

Если изделие является нестандартной ширины, то можно сделать таким образом. Ищем в таблице определение веса 1 метра для ширины, максимально приближенный к размеру вашего изделия. Делим ее на справочную ширину, а после умножаем на данные расчетного листа. В результате имеет вес 1 метра вашего изделия. Далее рассчитываем, как было указано выше.