Алюминий занимает второе место по распространенности среди металлов, уступая лишь железу. Его доля составляет около 8% от общего объема производства металлов в мире. Широкое применение этого материала обусловлено его уникальными физико-химическими свойствами.
Теоретические основы плотности алюминия
Одним из важнейших параметров любого материала является его плотность. Эта физическая величина показывает, какое количество массы приходится на единицу объема.
Плотность алюминия = масса алюминия (кг) / объем алюминия (м3)
Согласно теоретическим расчетам, плотность алюминия при комнатной температуре должна составлять 2698,72 кг/м3. Однако на практике для поликристаллического алюминия экспериментально измеренные значения лежат в диапазоне от 2696,6 до 2698,8 кг/м3.
Плотность алюминия 2700 кг/м3 можно считать усредненным показателем, который используется в большинстве инженерных расчетов и справочников.
Зависимость плотности от температуры
Как и у большинства материалов, плотность алюминия снижается с ростом температуры. Это связано с тепловым расширением кристаллической решетки металла. При нагреве до точки плавления разница плотностей твердого и жидкого состояний достигает 9% и более. На рисунке 1 показана зависимость плотности алюминия от температуры.
Как видно, при температуре 660°C происходит резкое уменьшение плотности алюминия с 2,55 до 2,34 г/см3, что связано с плавлением металла. Этот эффект важно учитывать при литье алюминиевых изделий и расчете литейных форм.
Влияние чистоты
На плотность алюминия оказывают влияние также примеси и легирующие элементы, которые могут как понижать, так и повышать этот показатель. К примеру, для алюминия с чистотой 99,996% плотность составляет 2,699 г/см3. А у технического алюминия плотность будет несколько ниже из-за наличия дополнительных легирующих элементов.
Плотность различных алюминиевых сплавов может изменяться в пределах от 2,55 до 2,95 г/см3 в зависимости от типа и количества легирующих компонентов. Рассмотрим более подробно влияние легирования на плотность алюминия.
Влияние легирования на плотность алюминия
Как уже отмечалось, на плотность алюминия существенное влияние оказывает легирование - добавление в чистый алюминий других химических элементов. Легирующие компоненты могут как повышать, так и понижать плотность готового сплава.
Элементы, снижающие плотность
К элементам, которые снижают плотность алюминиевых сплавов, относятся:
- Кремний (2,33 г/см3)
- Магний (1,74 г/см3)
- Литий (0,533 г/см3)
Особенно сильный эффект дает литий, который является самым легким металлом в природе. Уже 1% лития в составе алюминиевого сплава позволяет снизить его среднюю плотность на 0,027 г/см3.
Элементы, повышающие плотность
К тяжелым легирующим компонентам алюминиевых сплавов относятся:
- Железо (7,87 г/см3)
- Марганец (7,40 г/см3)
- Медь (8,96 г/см3)
- Цинк (7,13 г/см3)
Их добавление в определенных концентрациях нужно для улучшения механических и технологических свойств алюминия. Однако при этом происходит некоторое увеличение плотности готовых сплавов.
Плотность популярных серий сплавов
Рассмотрим типичные значения плотности для наиболее распространенных серий промышленных алюминиевых сплавов.
