1. Uvod
Nickel je kritični metal koji se široko koristi u industrijskom, vazduhoplovstvo, energija, i hemijske aplikacije zbog svog otpora korozije, Mehanička čvrstoća, i toplotna stabilnost.
Razumijevanje njezine gustoće je temeljna za inženjere i materijalne naučnike jer utječe na izračune težine, Dizajn komponenata, Termičko ponašanje, i ukupne performanse materijala.
Referentna gustina čistog nikla na sobnoj temperaturi (20 ° C) otprilike 8.908 g / cm³ (ili 8,908 kg / m³).
Ova intrinzična nekretnina unosi podloge Nickelova aplikacija u legurima visokih performansi, Strukturne komponente, i specijalizirani premazi.
2. Koja je gustina nikla
Gustina definira se kao masa po jedinici zapremine (p = m / v). Za nikl, Njegova gustina nastaje iz atomske mase (58.6934 u) i njegov kubični licem na lice (FCC) Kristalna struktura, koji se efikasno pakiraju atomi.
Na standardnoj temperaturi i pritisku, Nickel izlaže stabilnu fcc rešetku sa rešetkama 0.352 NM, proizvode njegovu karakterističnu gustoću 8.908 g / cm³.
3. Čimbenici koji utječu na niklovinu gustoću
Niklova gustina (~ 8.908 g / cm³ na 20 ° C za ultra-visoke metal) nije fiksna konstanta; varira od čistoća, legura, temperatura, i pritisak.
Čistoća: Primarni pokretač varijabilnosti gustoće
Referentna gustina 8.908 g / cm³ odnosi se isključivo na nikl ultra visoke čistoće (≥99,99%), kao što su elektrolitički nikl koji se koristi u elektroniku i preciznim instrumentima.
U industrijskoj praksi, Nikl rijetko doseže ovu čistoću.
Nečistoće, bilo da je namerno (legirajućih elemenata) ili slučajno (Ostale rude, Obrada nečistoća), preseliti nikl atoma u kristalnoj rešetki, Izmjena gustoće na osnovu njihove atomske mase i koncentracije.
Uobičajene nečistoće i njihove efekte (Podaci iz priručnika za ASM, Zapremina 2):
| Nečistoća | Gustina (g / cm³) | Tipična koncentracija u komercijalnom niklu | Rezultat nikla gustoće (g / cm³) | Gustina Promjena vs. Čisti nikl |
| Gvožđe (FE) | 7.874 | 0.5-1,0% | 8.85-8.90 | -0.01 do -0.06 |
| Bakar (Cu) | 8.96 | 0.1-0,5% | 8.91-8.93 | +0.002 do +0.02 |
| Ugljik (C, grafit) | 2.267 | 0.01-0,05% | 8.90-8.91 | -0.001 do -0.008 |
| Sumpor (S) | 2.07 | 0.005-0,01% | 8.905-8.907 | -0.001 do -0.003 |
| Kiseonik (O, plin) | 1.429 | 0.001-0,005% | 8.907-8.908 | Zanemariv |
Legura: Gustoća krojenja za performanse
Nikl formira legure sa elementima kao što su bakar (Cu), hrom (CR), molibdenum (Mo), Tungsten (W), i gvožđe (FE), Izrada materijala sa gustoćom koji se sutno razlikuju od čistog nikla.
Odabrane legure i gustoće:
| Legura | Sastav | Gustina (g / cm³) | Razlika vs. U | Primarna primjena |
| Monel 400 | 65% U, 34% Cu, 1% FE | 8.80 | -0.108 | Otpornost na morsku koroziju |
| Inconel 625 | 59% U, 21.5% CR, 9% Mo, 5% FE | 8.44 | -0.468 | Otpornost na puzanje visokog temperature |
| Hastelloy x | 47% U, 22% CR, 18.5% FE, 9% Mo | 8.30 | -0.608 | Komore za sagorijevanje plinskih turbina |
| Nikl (30% W) | 70% U, 30% W | 10.0 | +1.092 | Zračni štitnik, otpornost na habanje |
| Nervozan 36 | 64% FE, 36% U | 8.05 | -0.858 | Niski termički ekspanzijski alati |
Temperatura: Termička ekspanzija i smanjenje gustoće
Nikl se širi s toplom, Smanjenje njene gustoće.
The Linearni koeficijent termičke ekspanzije (CTE) za nikl je ~ 13.4 × 10⁻⁶ / ° C; The Približna volumetrijska CTE je ~ 40.2 × 10⁻⁶ / ° C. Korištenje ovih vrijednosti, Nikalska gustina opada sa temperaturom:
- Na 100 ° C: Gustina ≈ 8.908 g / cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g / cm³
- Na 500 ° C: Gustina ≈ 8.908 g / cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g / cm³
- Na 1455 ° C (talište, Tečni nikl): Gustina ≈ 8.70 g / cm³ (Tečni metali su manje gusti od čvrstih tvari zbog povećanog atomskog poremećaja)
Ova gustina ovisna o temperaturi je kritična za:
- Livenje visokotemperaturne: Kalupi moraju biti u obzir promjene gustoće tijekom učvršćivanja kako bi se izbjegle oštećenja skupljanja.
- Aerospace komponente: Nickel Superolloys u mlaznim motorima (Radi na 1000-1200 ° C) Doživite smanjenje gustoće koja utječu na toplotnu provodljivost i strukturnu stabilnost.
Pritisak: Povećanje kompresije i gustoće
Nickelov skupno modul (~ 170 GPA) mjeri otpornost na kompresiju. Visoki pritisak lagano povećava gustinu:
- U 1 GPA (≈10.000 bankomata, Tipično za duboko more okruženja): Gustina se povećava za ~ 0,5% (≈8.95 g / cm³).
- U 10 GPA (ekstremni pritisak, npr., Planetarna jezgra): Gustina se diže na ~ 9.3 g / cm³.
Duboka morska oprema: Nikal-poblikovane komponente u potocima moraju izdržati promjene gustoće izazvane pritiskom bez strukturnog kvara.
Pretpostavljanje metala: Procesi poput vrućeg izostatičkog prešanja (Hip) Koristite pritisak za denziviranje nikla legura, Smanjenje poroznosti i povećanje konačne gustoće.
4. Mjerenje gustoće
Archimedes ' Princip i hidrostatski vaganje
Uzorci nikla su potopljeni u tekućinu, a gustoća se izračunava iz plutajućih snaga. Ova metoda je jednostavna i pouzdana za skupne komponente.
Rendgenska difrakcija (Xrd)
XRD izračunava gustoću iz rešetke parametra nikla kristalne strukture (mereno preko rendgenskih rasipanja). Ova metoda je:
- Nerazoran: Idealno za vrijedne ili osjetljive uzorke (npr., Aerospace komponente).
- Vrlo precizan: ± 0,0001 g / cm³ za čisti nikl, Kako direktno mjeri atomsko pakiranje, a ne rasutih svojstava.
- Ograničenja: Zahtijeva dobro kristalizirani uzorak (Nije pogodno za pudere ili amorfni nikl).
Pycnometry (Za pudere)
Za niklovne pudere (koristi se u aditivnoj proizvodnji ili premazima), Plinska piknometrija (ASTM D6226) mjeri istinsku gustoću premještanjem plina (npr., helijum) u zapečaćenoj komori.
To izbjegava greške iz praznina u praškastim krevetima, Davanje gustine unutar ± 0,002 g / cm³ teorijske vrijednosti.
Varijabilnost mjerenja
Prijavljena gustoća mogu se malo razlikovati zbog nečistoća, poroznost, Metoda mjerenja, i temperatura, obično unutar ± 0,01-0,02 g / cm³ za visokokvalitetni nikl.
5. Industrijska relevantnost nikla gustoće
Gustina nikla nije samo teoretska imovina - direktno utječe na to kako su metal i njegove legure dizajniran, obrađen, i primenjeni u preko industrije.
Od vazduhoplovnih turbina do hemijskih biljaka i aditivne proizvodnje, Gustina igra ključnu ulogu u materijalnom učinku i inženjerskoj efikasnosti.
Aerospace i zrakoplovstvo: Balansiranje težine i snage
Materijali za traženje zrakoplova i svemirske letjelice sa Visoka omjera čvrstoće na težinu.
Dok je čisti nikl relativno gust (8.908 g / cm³), Superoji na bazi nikla poput Inconel 625 (8.44 g / cm³) ili Hastelloy x (8.30 g / cm³) pružiti kompromis:
- Niža gustina Smanjuje ukupni motor ili strukturnu težinu, Spremanje raspona goriva i proširenja.
- Stabilnost na visokoj temperaturi osigurava otpor na puzanje i umor u >1000 ° C.
Primer: A 1% Smanjenje mase na disku turbine kroz optimizaciju gustine legure može uštedjeti Stotine kilograma mlaznog goriva godišnje po avionu.
Automobilska i teška mehanizacija: Izdržljivost i efikasnost
Gustoća nikla je takođe relevantna za zemljani transport:
- Električna vozila (EVS): Katodni materijali bogate niklom (npr., NMC, NCA) utječu na gustoću energije baterije, gde ušteda težine poboljšavaju raspon vožnje.
- Teška oprema: Nikel čelika i legure nikla-baka (Gustina ~ 7.8-8,8 g / cm³) Osigurajte žilavost i otpornost na habanje u građevinskim strojevima i rudarskoj opremi.
Hemijska i petrohemijska obrada: Otpornost na koroziju sa masovnom efikasnošću
U hemijskim postrojenjima i rafinerijama, Legure nikla moraju se oduprijeti Korozivne kiseline, Alkalis, i plinovi visokog pritiska:
- Monel 400 (8.80 g / cm³): Odabrano za morske cjevovode i rukovanje morskom vodom zbog odličnog otpora korozije.
- Hastelloy C-serija (~ 8,9 g / cm³): Koristi se u reaktorima obrade kiselina, gdje je gustoća izbalansirana protiv otpornosti na koroziju i mehanički integritet.
Gustina utječe ne samo Mehanička čvrstoća ali takođe Toplotna provodljivost i Efikasnost prenosa topline, I kritične u hemijskim reaktorima.
Livenje, Kovanje, i aditivna proizvodnja: Kontrola učvršćenja
Ponašanje nikla za gustoću tokom termičke obrade direktno utječe na proizvodne ishode:
- Livenje: Smanjenje gustoće nakon topljenja (8.908 → ~ 8,70 g / cm³) mora biti obračunati za sprečavanje skupljanje poroznosti U kalupima.
- Kovanje i kuk (Vruće izostatičko prešanje): Primjena tlaka ne gube nikl legure, Zatvaranje praznina i povećanje mehaničke čvrstoće.
- Aditivna proizvodnja (Ujutro): Fuzija u prahu i režirana energija se oslanjaju na konzistentnu gustoću praška za predvidivu Protok, Slojalna uniformnost, i završnu gustoću dijelova.
Energetske i nuklearne aplikacije: Kad je visoka gustina koristi
U nekim industrijama, Veća gustina je povoljna:
- Legure nikla-volframa (~ 10,0 g / cm³): Omogućite zaštitu od zračenja u nuklearnim reaktorima i medicinskim snimanjem.
- Niklo-anode i katode na bazi nikla: Gustina utječe na trenutnu efikasnost i toplinsku stabilnost u gorivnim ćelijama i elektrolizu.
6. Brza referentna tablica: Čisti nikl i uobičajene legure
| Materijal / Legura | Sastav (Glavni elementi) | Gustina (G / CM³ @ 20 ° C) | Talište (° C) | Ključne aplikacije |
| Čisti nikl (99.99%) | ≥99,99% na | 8.908 | 1455 | Elektronika, Termoparovi, elektroplata |
| Komercijalni nikl (Razred 200) | ≥99.0% na + Fe nečistoće | 8.85-8.90 | 1445-1455 | Oprema za hemijsku obradu, Morski hardver |
| Monel 400 | ~ 65% ima, 34% Cu, 1% FE | 8.80 | 1350-1400 | Marine Engineering, pumpe, Izmjenjivači topline |
| Inconel 600 | ~ 72% ima, 14-17% CR, 6-10% FE | 8.47 | 1354-1413 | Hemijska obrada, Komponente peći, nuklearni reaktori |
| Inconel 625 | ~ 59% ima, 21.5% CR, 9% Mo, 5% FE | 8.44 | 1290-1350 | Aerospace turbine, nuklearni reaktori, Hemijske biljke |
| Waspaloy | ~ 58% ima, 19% CR, 13% Co, 4% Mo, Od, Al | 8.19 | 1320-1380 | Diskovi turbine mlaznih motora, Aerospace pričvršćivači |
Nimonic 80a |
~ 76% ima, 20% CR, Od, Al | 8.19 | 1320-1385 | Plinske turbine, Ispušni ventili, Visoka temperatura opruge |
| Hastelloy x | ~ 47% ima, 22% CR, 18.5% FE, 9% Mo | 8.30 | 1260-1355 | Komore za sagorijevanje plinskih turbina, kanali sa visokim temperaturama |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% ima, 22% CR, 13% Mo, 3% W, FE | 8.69 | 1350-1400 | Hemijski reaktori, Cribbers, kontrola zagađenja |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% ima, 16% Mo, 15% CR, 5% FE, W | 8.89 | 1325-1370 | Scrobbers dimnih plinova, Hemijska obrada, kontrola zagađenja |
| Neugodan 825 | ~ 42% ima, 21.5% CR, 30-35% FE, 3% Mo | 8.14 | 1385-1400 | KID-otporna na cjevovod, Morski ispušni sustavi |
| Nickel - (30% W) | ~ 70% u, 30% W | 10.0 | ~ 1455-1500 | Zračni štitnik, Dijelovi otporni na habanje |
| Nervozan 36 | ~ 64% FE, 36% U | 8.05 | 1430-1440 | Precizni instrumenti, Niske termičke aplikacije za proširenje |
7. Zaključak
Nikalska gustina je osnovna fizička imovina koja utiču na dizajn, proizvodnja, i performanse u visokotehnološkim industrijama.
Faktori poput čistoće, legura, temperatura, i pritisak stvaraju manje varijacije, Ali razumijevanje ovih nijansa je kritično za inženjere i materijalne naučnike.
Nikl kombinacija velike gustoće, Mehanička čvrstoća, i termalna otpornost čini neophodnim putem zrakoplovnog zrakoplovstva, hemikalija, energija, i sektori elektronike.
FAQs
Ima li oblik nikla (Čvrsti VS. u prahu) utiču na njenu gustinu?
Da. "Prava gustina" (Gustoća samog nikla) isto je i za krute tvari i pudere (~ 8.908 g / cm³ za čisti nikl), Ali "gustoća rasuta" (Masa / zapremina posuda za prah) je niži (4-5 g / cm³) Zbog praznina između čestica.
Plicnometrija plina mjeri istinsku gustoću, Iako gustoće dodirivanja mjeri diferencijalno.
Kako hladno radno radi utječe na niklovu gustoću?
Hladan rad (npr., kotrljanje, kovanje) Lagano povećava niksovu gustoću (~ 0,1-0,2%) Smanjenjem rešetkinih oštećenja (dislokacije) i komprimiranje praznina.
Na primjer, Hladno valjani nikl ima gustoću ~ 8.92 g / cm³, vs. 8.908 g / cm³ za žarenje nikl.
Je nikla gustina veća od ostalih uobičajenih metala?
Da. Nikl je gušći od aluminija (2.70 g / cm³), gvožđe (7.87 g / cm³), i titanijum (4.51 g / cm³) ali manje gust od bakra (8.96 g / cm³), mesing (8.4-8,7 g / cm³), i volfram (19.3 g / cm³).
Može se gustoća koristiti za razlikovanje nikla od krivotvorenih metala?
Da. Na primjer, Nikalni čelik (Gustoća ~ 7,9 g / cm³) ima nižu gustoću od čistog nikla (8.908 g / cm³), Načelo arhimeda koji se izrađuje jednostavan način za otkrivanje krivotvorina (npr., lažni nikl kovanica).
Koja je gustina nikla u prostoru (vakuum, ekstremna temperatura)?
U vakuumu, Gustina nije pogođena (samo temperatura i tlaka). Na kriogenim temperaturama (-200° C), Nikalska gustina povećava se na ~ 8.95 g / cm³ (Zbog kontrakcije rešetke).
U mikrogravitosti, Mjerenje gustoće putem principa Arhimeda je nemoguće, pa se XRD koristi umjesto toga.
