1. Zavedení
Nikl je kritický kov široce používaný v průmyslovém, kosmonautika, energie, a chemické aplikace kvůli jeho odolnosti proti korozi, Mechanická síla, a tepelná stabilita.
Pochopení jeho hustoty je pro inženýry a materiální vědce zásadní, protože ovlivňuje výpočty hmotnosti, Návrh komponenty, tepelné chování, a celkový výkon materiálu.
Referenční hustota čistého niklu při teplotě místnosti (20 ° C.) je přibližně 8.908 g/cm³ (nebo 8,908 kg/m³).
Tato vnitřní vlastnost podporuje aplikace Nickel ve vysoce výkonných slitinách, Strukturální komponenty, a specializované povlaky.
2. Jaká je hustota niklu
Hustota je definována jako hmotnost na jednotku objemu (P = M/V.). Pro nikl, jeho hustota vyplývá z atomové hmoty (58.6934 u) a jeho kubický zaměřený na obličej (FCC) Krystalová struktura, které atomy efektivně balí atomy.
Při standardní teplotě a tlaku, nikl vykazuje stabilní fcc mříž s mřížkovou konstantou 0.352 nm, vytvářející svou charakteristickou hustotu 8.908 g/cm³.
3. Faktory ovlivňující hustotu niklu
Nickelova hustota (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C pro ultra vysoký kov) není pevná konstanta; mění se s čistota, zmiňování, teplota, a tlak.
Čistota: Primární ovladač variability hustoty
Referenční hustota 8.908 G/cm³ se vztahuje výhradně Nickel ultra-high-purity (≥ 99,99%), jako je elektrolytický nikl používaný v elektronických a přesných nástrojích.
V průmyslové praxi, nikl jen zřídka dosahuje této čistoty.
Nečistoty, ať už úmyslné (legovací prvky) nebo náhodné (zbytkové rudy, Zpracování kontaminantů), Vysuňte atomy niklu v krystalové mřížce, změna hustoty na základě jejich atomové hmoty a koncentrace.
Běžné nečistoty a jejich účinky (Data z příručky ASM, Objem 2):
| Nečistota | Hustota (g/cm³) | Typická koncentrace v komerčním niklu | Výsledná hustota niklu (g/cm³) | Změna hustoty vs.. Čistý nikl |
| Železo (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8,90 | −0,01 až −0,06 |
| Měď (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8,93 | +0.002 na +0.02 |
| Uhlík (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 až −0,008 |
| Síra (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 až −0,003 |
| Kyslík (Ó, plyn) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Zanedbatelný |
Zmiňování: Hustota přizpůsobení pro výkon
Nikl tvoří slitiny s prvky jako měď (Cu), Chromium (Cr), molybden (Mo), wolfram (W), a železo (Fe), produkující materiály s hustotou, které se podstatně liší od čistého niklu.
Vybrané slitiny a hustoty:
| Slitina | Složení | Hustota (g/cm³) | Rozdíl vs.. V | Primární aplikace |
| Monel 400 | 65% V, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0,108 | Odolnost proti mořské korozi |
| Inconel 625 | 59% V, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Vysokoteplotní odpor dotvarování |
| Hastelloy x | 47% V, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0,608 | Spalovací komory plynové turbíny |
| Nikl (30% W) | 70% V, 30% W | 10.0 | +1.092 | Stínění záření, nosit odpor |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% V | 8.05 | −0,858 | Nástroje s nízkou tepelnou roztažkou |
Teplota: Tepelná rozšiřování a snížení hustoty
Nikl se rozšiřuje s teplem, snížení jeho hustoty.
The lineární koeficient tepelné roztažnosti (CTE) pro nikl je ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; The Přibližný objemový CTE IS ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Pomocí těchto hodnot, Nickova hustota klesá s teplotou:
- Při 100 ° C.: Hustota ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Při 500 ° C.: Hustota ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Při 1455 ° C. (bod tání, Kapalný nikl): Hustota ≈ 8.70 g/cm³ (Kapalné kovy jsou méně husté než pevné látky kvůli zvýšené atomové poruše)
Tato hustota závislá na teplotě je kritická pro:
- Vysokoteplotní obsazení: Formy musí během tuhnutí zohlednit změny hustoty, aby se zabránilo vadám smrštění.
- Aerospace komponenty: Niklové superliony v proudových motorech (Provozující při 1000–1200 ° C.) Zkušenosti snižování hustoty, které ovlivňují tepelnou vodivost a strukturální stabilitu.
Tlak: Zvýšení komprese a hustoty
Nickelův hromadný modul (~ 170 GPA) měří odolnost vůči kompresi. Vysoký tlak mírně zvyšuje hustotu:
- Na 1 GPA (~ 10 000 atm, typické pro hluboké prostředí): Hustota se zvyšuje o ~ 0,5% (~ 8,95 g/cm³).
- Na 10 GPA (extrémní tlak, NAPŘ., Planetární jádra): Hustota stoupá na ~ 9,3 g/cm³.
Hluboko-mořské vybavení: Ponikované komponenty v ponorcích musí odolat změnám hustoty vyvolané tlakem bez strukturálního selhání.
Vysokotlaké kovo zpracování: Procesy, jako je horké izostatické lisování (Hip) k zhřbení slitin niklu použijte tlak, snižování porozity a zvyšování konečné hustoty.
4. Měření hustoty
Archimedes Princip a hydrostatické vážení
Vzorky niklu jsou ponořeny do tekutiny, a hustota se počítá z vznášejících sil. Tato metoda je jednoduchá a spolehlivá pro hromadné komponenty.
Rentgenová difrakce (XRD)
XRD vypočítá hustotu z parametru mřížky Nickelovy krystalové struktury (měřeno pomocí rentgenového rozptylu). Tato metoda je:
- Nedestruktivní: Ideální pro cenné nebo delikátní vzorky (NAPŘ., Aerospace komponenty).
- Vysoce přesné: ± 0,0001 g/cm³ pro čistý nikl, protože přímo měří atomové balení spíše než hromadné vlastnosti.
- Omezení: Vyžaduje dobře krystalizovaný vzorek (není vhodné pro prášky nebo amorfní nikl).
Pycnometry (pro prášky)
Pro niklové prášky (Používá se při aditivní výrobě nebo povlacích), Pycnometrie plynu (ASTM D6226) měří skutečnou hustotu přemístěním plynu (NAPŘ., hélium) v uzavřené komoře.
Tím se zabrání chybám z dutin v práškových postelích, Výnos hustoty v rámci ± 0,002 g/cm³ teoretické hodnoty.
Variabilita měření
Hlášené hustoty se mohou mírně lišit v důsledku nečistot, pórovitost, Metoda měření, a teplota, obvykle v rámci ± 0,01–0,02 g/cm³ pro vysoce kvalitní nikl.
5. Průmyslový význam hustoty niklu
Hustota niklu není jen teoretická vlastnost - přímo to ovlivňuje, jak jsou kov a jeho slitiny navrženo, zpracováno, a aplikoval napříč průmyslovými odvětvími.
Od leteckých turbín po chemické rostliny a výrobu aditiv, Hustota hraje klíčovou roli při výkonnosti materiálu a inženýrství.
Aerospace a letectví: Vyvážení hmotnosti a síly
Letadlo a kosmická loď vyžadují materiály s Poměry vysoké síly k hmotnosti.
Zatímco čistý nikl je relativně hustý (8.908 g/cm³), SuperLoys založené na niklu jako Inconel 625 (8.44 g/cm³) nebo Hastelloy x (8.30 g/cm³) poskytnout kompromis:
- Nižší hustota snižuje celkovou hmotnost motoru nebo strukturální, ukládání paliva a rozšiřování dosahu.
- Stabilita vysoké teploty zajišťuje odolnost vůči tečení a únavě >1000 ° C..
Příklad: A 1% Snížení hmotnosti disku turbíny pomocí optimalizace hustoty slitiny může ušetřit stovky kilogramů paliva ročně na letadlo.
Automobilové a těžké stroje: Trvanlivost a účinnost
Hustota niklu je také relevantní pro pozemní dopravu:
- Elektrická vozidla (Evs): Katodové materiály bohaté na nikl (NAPŘ., NMC, NCA) ovlivnit hustotu energie baterie, kde úspory hmotnosti zlepšují rozsah jízdy.
- Těžké vybavení: Niklové oceli a slitiny niklu-copper (hustoty ~ 7,8–8,8 g/cm³) Poskytněte odolnost odolnosti a opotřebení ve stavebních strojích a těžebních zařízeních.
Chemické a petrochemické zpracování: Odolnost proti korozi s účinností hmoty
V chemických rostlinách a rafinériích, slitiny niklu musí odolat korozivní kyseliny, Alkalis, a vysokotlaké plyny:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Vybráno pro mořské potrubí a manipulaci s mořskou vodou kvůli vynikajícímu odolnosti proti korozi.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 g/cm³): Používá se v reaktorech zpracování kyseliny, kde je hustota vyvážena proti odolnosti proti korozi a mechanické integritě.
Hustota ovlivňuje nejen Mechanická síla Ale také tepelná vodivost a účinnost přenosu tepla, Oba kritické v chemických reaktorech.
Obsazení, Kování, a aditivní výroba: Ovládání tuhnutí
Nickolovo hustotní chování během tepelného zpracování přímo ovlivňuje výsledky výroby:
- Obsazení: Snížení hustoty po tání (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) musí být započítáno, aby se zabránilo Porozita smršťování ve formách.
- Kování a kyčle (Horké isostatické lisování): Aplikovaný tlak zhubne slitiny niklu, Uzavření dutin a zvyšování mechanické pevnosti.
- Aditivní výroba (DOPOLEDNE): Fúze práškové lůžka a depozice řízená energie se spoléhají na konzistentní hustotu prášku pro předvídatelné Proudění, uniformita vrstvy, a hustota konečné části.
Energetické a jaderné aplikace: Když je výhoda vysoká hustota
V některých průmyslových odvětvích, Vyšší hustota je výhodná:
- Slitiny nikl-tungsten (~ 10,0 g/cm³): Poskytněte radiační stínění v jaderných reaktorech a lékařském zobrazování.
- Anody a katody na bázi niklu: Hustota ovlivňuje současnou účinnost a tepelnou stabilitu v palivových článcích a elektrolyzérech.
6. Rychlá referenční tabulka: Čistý nikl a běžné slitiny
| Materiál / Slitina | Složení (Hlavní prvky) | Hustota (g/cm³ @ 20 ° C.) | Bod tání (° C.) | Klíčové aplikace |
| Čistý nikl (99.99%) | ≥ 99,99% na | 8.908 | 1455 | Elektronika, termočlánky, Elektroplatování |
| Komerční nikl (Stupeň 200) | ≥ 99,0% na + Fe nečistoty | 8.85–8,90 | 1445–1455 | Chemické zpracovatelské zařízení, mořský hardware |
| Monel 400 | ~ 65% má, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Marine Engineering, čerpadla, výměníky tepla |
| Inconel 600 | ~ 72% má, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Chemické zpracování, Komponenty pece, jaderné reaktory |
| Inconel 625 | ~ 59% má, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Letecké turbíny, jaderné reaktory, Chemické rostliny |
| Waspaloy | ~ 58% má, 19% Cr, 13% CO, 4% Mo, Z, Al | 8.19 | 1320–1380 | Disky turbíny s motorem, Letecké spojovací prvky |
Nimonic 80a |
~ 76% má, 20% Cr, Z, Al | 8.19 | 1320–1385 | Plynové turbíny, výfukové ventily, Vysokoteplotní prameny |
| Hastelloy x | ~ 47% má, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Spalovací komory plynové turbíny, Vysokoteplotní potrubí |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% má, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Chemické reaktory, Scrubbers, Kontrola znečištění |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% má, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Kouřový plynový pračka, Chemické zpracování, Kontrola znečištění |
| Incoloy 825 | ~ 42% má, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Potrubí odolné vůči kyselině, mořské výfukové systémy |
| Nikl - (30% W) | ~ 70% in, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Stínění záření, Části odolné vůči opotřebení |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% V | 8.05 | 1430–1440 | Přesné nástroje, Aplikace s nízkou tepelnou roztažkou |
7. Závěr
Hustota Nickelu je základní fyzická vlastnost ovlivňující design, výrobní, a výkon ve špičkových odvětvích.
Faktory, jako je čistota, zmiňování, teplota, a tlak vytváří drobné variace, Pochopení těchto nuancí je však pro inženýry a materiální vědce rozhodující.
Nickelova kombinace vysoké hustoty, Mechanická síla, a tepelná odolnost je nezbytná po celém letectví, chemikálie, energie, a sektory elektroniky.
Časté časté
Má forma niklu (pevné vs.. prášek) ovlivnit jeho hustotu?
Ano. „Pravá hustota“ (hustota samotného niklu) je stejné pro pevné látky a prášky (~ 8,908 g/cm³ pro čistý nikl), Ale „hromadná hustota“ (Hmota/objem práškové lože) je nižší (4–5 g/cm³) kvůli dutinám mezi částicemi.
Pycnometrie plynu měří skutečnou hustotu, Zatímco hustota kop měří hromadnou hustotu.
Jak ovlivňuje práci na chladu Nickel?
Studená práce (NAPŘ., válcování, kování) mírně zvyšuje hustotu nikl (~ 0,1–0,2%) snížením defektů mřížky (dislokace) a stlačení dutin.
Například, Nikl s válcováním za studena má hustotu ~ 8,92 g/cm³, vs.. 8.908 g/cm³ pro žíhaný nikl.
Je niklova hustota vyšší než jiné běžné kovy?
Ano. Nikl je hustší než hliník (2.70 g/cm³), železo (7.87 g/cm³), a titan (4.51 g/cm³) ale méně husté než měď (8.96 g/cm³), mosaz (8.4–8,7 g/cm³), a wolfram (19.3 g/cm³).
Lze použít hustotu k odlišení niklu od padělaných kovů?
Ano. Například, Ponikovaná ocel (Hustota ~ 7,9 g/cm³) má nižší hustotu než čistý nikl (8.908 g/cm³), Stavět princip Archimedes je jednoduchý způsob, jak detekovat padělky (NAPŘ., Falešné niklové mince).
Jaká je hustota niklu ve vesmíru (vakuum, extrémní teplota)?
Ve vakuu, Hustota není ovlivněna (Pouze teplota a tlak). Při kryogenních teplotách (-200° C.), Hustota Nickelu se zvyšuje na ~ 8,95 g/cm³ (Kvůli kontrakci mřížky).
V mikrogravitaci, Měření hustoty prostřednictvím principu Archimedes je nemožné, Místo toho se tedy používá XRD.
