Алюминий широко используется в промышленности благодаря своей легкости, прочности и коррозионной стойкости. От плотности алюминия и его сплавов зависят масса конструкций, расчет нагрузок, режимы обработки металлов давлением. Поэтому точное знание плотности критически важно для инженеров и технологов.
Теоретические основы измерения плотности
Плотность - это физическая величина, равная отношению массы тела к его объему. В СИ плотность измеряется в кг/м3. Плотность зависит от температуры и давления. Для алюминия эта зависимость невелика в обычных условиях.
Плотность твердого алюминия при комнатной температуре составляет 2700 кг/м3.
Плотность жидкого алюминия немного меньше: 2350-2400 кг/м3 при температуре плавления. Это объясняется более рыхлой упаковкой атомов в жидком состоянии.
На плотность алюминиевых сплавов влияет состав. Добавки других элементов могут как повышать, так и понижать плотность:
- Медь, цинк, магний повышают плотность
- Кремний, литий снижают плотность
Для сравнения, плотность некоторых металлов:
| Металл | Плотность, кг/м3 |
| Алюминий | 2700 |
| Медь | 8900 |
| Железо | 7800 |
Алюминий почти в 3 раза легче меди и железа при сопоставимой прочности. Это делает его незаменимым в авиакосмической и транспортной отраслях.
Стандартные методы измерения плотности
Для точного измерения плотности алюминия используются различные лабораторные и промышленные методы.
Гидростатическое взвешивание основано на измерении вытесненного объема жидкости. Обеспечивает точность до 0,001 г/см3.
Пикнометрия заключается в заполнении пикнометра образцом и измерении его массы. Погрешность метода 0,01-0,1 г/см3.
Рентгеновская денситометрия позволяет быстро анализировать неоднородные образцы. Погрешность 1-2%.
Для контроля качества расплавов применяют газовую пикнометрию. Метод безопасен и не требует отбора проб.
Выбор метода зависит от требуемой точности, условий измерения, свойств материала.
Плотность различных марок алюминия
Рассмотрим плотность наиболее распространенных алюминиевых сплавов.
Сплавы серии 1xxx содержат не менее 99% алюминия. Их плотность 2700-2710 кг/м3, близка к чистому металлу.
Сплавы серий 5ххх с магнием имеют плотность 2600-2700 кг/м3. Самый легкий 5356 (2640 кг/м3).
Высокопрочные сплавы серий 2ххх и 7ххх с медью и цинком тяжелее: 2700-2800 кг/м3. Рекордсмен - 7075 (2810 кг/м3).
Таким образом, плотность алюминиевых сплавов может варьироваться примерно на 8%. Это важный фактор при разработке изделий из алюминия.
Применение данных о плотности
Знание точных значений плотности критически важно для инженерных расчетов и технологических процессов.
Плотность используется при расчете массы готовых изделий из алюминия. Например, для авиационного профиля заданного размера по плотности сплава рассчитывают вес конструкции.
По соотношению плотности и прочности выбирают оптимальный сплав для конкретного применения. Например, для облегчения конструкции используют менее плотные сплавы серий 1xxx и 5xxx.
В литейном производстве по плотности расплава рассчитывают усадку, питание отливки, давление металла. Это позволяет оптимизировать режимы литья.
При обработке металлов давлением (ковка, штамповка) учитывают плотность заготовки для расчета усилий деформации.
Плотность материала входит в расчеты прочности алюминиевых конструкций. По ней определяют весовые нагрузки на самолет, мост, корпус судна.
Влияние примесей и дефектов
На плотность реального металла влияют также примеси и дефекты структуры.
Газы, оксиды, неметаллические включения понижают плотность алюминия. Их стараются минимизировать при выплавке сплава.
Пористость вследствие усадочных раковин или газовыделения также снижает плотность отливок и слитков.
Наоборот, высокая плотность дислокаций от деформационного упрочнения может немного повысить плотность детали по сравнению с исходным сплавом.
Контроль плотности на предприятии
На алюминиевых заводах контроль плотности проводится на всех этапах:
- В литейном цехе - плотность расплава, отливок
- В кузнечном цехе - плотность слитков, заготовок
- В цехе термообработки - плотность после закалки
Контроль плотности позволяет выявлять отклонения от нормы и оперативно вносить корректировки в техпроцесс.
Перспективы создания сверхлегких сплавов
Ведутся разработки по созданию сплавов с рекордно низкой плотностью менее 2000 кг/м3.
Достигается это путем легирования скандием, литием, бериллием. Применяются нанотехнологии и специальные методы получения пористой структуры.
Сверхлегкие сплавы позволят создавать более экономичные летательные аппараты и транспортные средства.
