1. مقدمه
نیکل یک فلز مهم است که به طور گسترده در صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد, هوا و فضا, انرژی, و کاربردهای شیمیایی به دلیل مقاومت در برابر خوردگی آن, قدرت مکانیکی, و ثبات حرارتی.
درک تراکم آن برای مهندسان و دانشمندان مادی اساسی است زیرا این امر بر محاسبات وزن تأثیر می گذارد, طراحی جزء, رفتار حرارتی, و عملکرد کلی مواد.
چگالی مرجع نیکل خالص در دمای اتاق (20 درجه سانتیگراد) تقریباً است 8.908 g/cm³ (یا 8,908 کیلوگرم در متر مربع).
این خاصیت ذاتی شامل برنامه های نیکل در آلیاژهای با کارایی بالا است, مؤلفه های ساختاری, و روکش های تخصصی.
2. چگالی نیکل چیست
تراکم به عنوان جرم در واحد حجم تعریف می شود (P = M/V). برای نیکل, چگالی آن از توده اتمی ناشی می شود (58.6934 تو) و مکعب صورت محور آن (FCC) ساختار بلور, که اتم ها را به طور کارآمد بسته بندی می کند.
در دما و فشار استاندارد, نیکل دارای یک شبکه پایدار FCC با ثابت شبکه است 0.352 NM, چگالی مشخصه آن از 8.908 g/cm³.
3. عوامل مؤثر بر تراکم نیکل
تراکم نیکل (8.908 ~ گرم در سانتی متر مربع در 20 درجه سانتیگراد برای فلز با خلوص فوق العاده بالا) ثابت ثابت نیست; این با متفاوت است خلوص, هلیاژ, درجه حرارت, و فشار.
خلوص: محرک اصلی تنوع چگالی
چگالی مرجع از 8.908 g/cm³ منحصراً در مورد نیکل فوق العاده بلند (99.99 ٪), مانند نیکل الکترولیتی که در وسایل الکترونیکی و دقیق استفاده می شود.
در عمل صنعتی, نیکل به ندرت به این خلوص می رسد.
ناخالصی, چه عمدی (عناصر آلیاژ) یا تصادفی (سنگ معدن باقیمانده, پردازش آلاینده ها), اتم های نیکل را در شبکه کریستال جابجا کنید, تغییر چگالی بر اساس جرم و غلظت اتمی آنها.
ناخالصی های مشترک و اثرات آنها (داده ها از کتاب راهنمای ASM, حجم 2):
| ناحانی | تراکم (g/cm³) | غلظت معمولی در نیکل تجاری | تراکم نیکل (g/cm³) | تغییر چگالی در مقابل. نیکل خالص |
| اتو کردن (با) | 7.874 | 0.5–1.0 ٪ | 8.85–8.90 | 0.01 تا 0.06 |
| مس (مس) | 8.96 | 0.1-0.5 ٪ | 8.91–8.93 | +0.002 به +0.02 |
| کربن (جف, گرافیت) | 2.267 | 0.01-0.05 ٪ | 8.90–8.91 | 0.001 تا 0.008 |
| گوگرد (حرف) | 2.07 | 0.005-0.01 ٪ | 8.905–8.907 | 0.001 تا 0.003 |
| اکسیژن (ای, گاز) | 1.429 | 0.001–0.005 ٪ | 8.907–8.908 | ناچیز |
هلیاژ: تراکم خیاطی برای عملکرد
نیکل آلیاژها را با عناصری مانند تشکیل می دهد مس (مس), کروم (کلوچه), مولیبدن (مس), تنگستن (حرف), و آهن (با), تولید مواد با تراکم که از نظر نیکل خالص قابل ملاحظه ای است.
آلیاژها و تراکم های انتخاب شده:
| الیاژ | ترکیب | تراکم (g/cm³) | تفاوت در مقابل. در | کاربرد اصلی |
| سرود 400 | 65% در, 34% مس, 1% با | 8.80 | .0.108 | مقاومت در برابر خوردگی دریایی |
| ناله 625 | 59% در, 21.5% کلوچه, 9% مس, 5% با | 8.44 | .468. | مقاومت در برابر خزش درجه حرارت بالا |
| Hastelloy x | 47% در, 22% کلوچه, 18.5% با, 9% مس | 8.30 | 60.608 | اتاق های احتراق توربین گازی |
| نیکل (30% حرف) | 70% در, 30% حرف | 10.0 | +1.092 | محافظت از تابش, مقاومت در برابر پوشیدن |
| تغییر شکل 36 | 64% با, 36% در | 8.05 | .858. | ابزارهای انبساط حرارتی کم |
درجه حرارت: انبساط حرارتی و کاهش چگالی
نیکل با گرما گسترش می یابد, کاهش تراکم آن.
در ضریب خطی انبساط حرارتی (CTE) برای نیکل 10 × 10 × 10 درجه/درجه سانتیگراد است; در تقریبی CTE حجمی 40.2 ~ 10 × 10 درجه سانتیگراد است. با استفاده از این مقادیر, چگالی نیکل با دما کاهش می یابد:
- در 100 درجه سانتیگراد: چگالی 8.908 g/cm³ (1 - (40.2 10 ⁻⁶/درجه سانتیگراد × 80 درجه سانتیگراد)) ± 8.88 g/cm³
- در دمای 500 درجه سانتیگراد: چگالی 8.908 g/cm³ (1 - (40.2 × 10 ⁻⁶/° C × 480 درجه سانتیگراد)) ± 8.73 g/cm³
- در دمای 1455 درجه سانتیگراد (نقطه ذوب, نیکل مایع): چگالی 8.70 g/cm³ (فلزات مایع به دلیل افزایش اختلال اتمی نسبت به مواد جامد متراکم هستند)
این چگالی وابسته به دما برای بسیار مهم است:
- بازیگری با دمای بالا: قالب ها برای جلوگیری از نقص انقباض باید تغییرات چگالی را در حین استحکام به حساب آورند.
- اجزای هوافضا: نیکل Superalloys در موتورهای جت (در دمای 1000-1200 درجه سانتیگراد کار می کند) کاهش چگالی را تجربه کنید که بر هدایت حرارتی و ثبات ساختاری تأثیر می گذارد.
فشار: فشرده سازی و افزایش چگالی
مدول فله نیکل (GPA 170 پوند) مقاومت در برابر فشرده سازی را اندازه گیری می کند. فشار بالا کمی چگالی را افزایش می دهد:
- در 1 معدل (10،000 اتمسفر, نمونه ای از محیط های در اعماق دریا): چگالی با 0.5 ~ پوند افزایش می یابد (8.95 گرم در سانتی متر مربع).
- در 10 معدل (فشار شدید, به عنوان مثال, هسته های سیاره ای): چگالی به 9.3 گرم در سانتی متر (.
تجهیزات دریای عمیق: مؤلفه های روکش نیکل در زیر غواصی ها باید در برابر تغییرات چگالی ناشی از فشار بدون خرابی ساختاری مقاومت کنند.
فلزکاری پر فشار: فرآیندهایی مانند فشار ایزوستاتیک داغ (باسن) برای تراکم آلیاژهای نیکل از فشار استفاده کنید, کاهش تخلخل و افزایش چگالی نهایی.
4. اندازه گیری چگالی
Archimedes ' اصل و وزن هیدرواستاتیک
نمونه های نیکل در یک مایع غوطه ور می شوند, و چگالی از نیروهای شناور محاسبه می شود. این روش برای اجزای فله ساده و قابل اعتماد است.
پراش اشعه ایکس (XRD)
XRD چگالی را از پارامتر شبکه ساختار کریستال نیکل محاسبه می کند (از طریق پراکندگی اشعه ایکس اندازه گیری شد). این روش است:
- غیر مخرب: ایده آل برای نمونه های ارزشمند یا ظریف (به عنوان مثال, اجزای هوافضا).
- بسیار دقیق: 0001 0001 گرم در سانتی متر مربع برای نیکل خالص, زیرا مستقیماً بسته بندی اتمی را به جای خاصیت فله اندازه گیری می کند.
- محدودیت ها: به یک نمونه مجهز شده نیاز دارد (برای پودرها یا نیکل آمورف مناسب نیست).
اندازه گیری (برای پودرها)
برای پودرهای نیکل (در ساخت افزودنی یا پوشش استفاده می شود), گاز سنج (ASTM D6226) چگالی واقعی را با جابجایی گاز اندازه گیری می کند (به عنوان مثال, هلیوم) در یک محفظه مهر و موم شده.
این از خطاهای موجود در حفره ها در تخت های پودری جلوگیری می کند, تراکم در 0.002 گرم در سانتی متر در سانتی متر از ارزش نظری.
تنوع اندازه گیری
تراکم گزارش شده به دلیل ناخالصی ها می تواند کمی متفاوت باشد, تخلخل, روش اندازه گیری, و درجه حرارت, به طور معمول برای نیکل با کیفیت بالا در 0.01-0.02 گرم/سانتی متر مربع.
5. ارتباط صنعتی چگالی نیکل
چگالی نیکل فقط یک خاصیت نظری نیست - این امر به طور مستقیم بر نحوه فلز و آلیاژهای آن تأثیر می گذارد طراحی شده, فرآوری شده, و در صنایع اعمال می شود.
از توربین های هوافضا گرفته تا گیاهان شیمیایی و تولید افزودنی, تراکم نقش مهمی در عملکرد مواد و کارآیی مهندسی دارد.
هوافضا و هوانوردی: متعادل کردن وزن و قدرت
هواپیما و فضاپیما مواد را با نسبت های بالا به وزن.
در حالی که نیکل خالص نسبتاً متراکم است (8.908 g/cm³), Superalloys مبتنی بر نیکل مانند ناله 625 (8.44 g/cm³) یا Hastelloy x (8.30 g/cm³) سازش را ارائه دهید:
- چگالی پایین وزن کل موتور یا ساختاری را کاهش می دهد, صرفه جویی در سوخت و دامنه گسترش.
- ثبات در دمای بالا مقاومت در برابر خزش و خستگی در >1000 درجه سانتیگراد.
نمونه: بوها 1% کاهش در جرم دیسک توربین از طریق بهینه سازی چگالی آلیاژ می تواند ذخیره کند سالانه صدها کیلوگرم سوخت جت در هر هواپیما.
ماشین آلات خودرو و سنگین: دوام و کارآیی
چگالی نیکل نیز برای حمل و نقل زمینی مرتبط است:
- وسایل نقلیه برقی (EVS): مواد کاتدی غنی از نیکل (به عنوان مثال, NMC, NCA) بر تراکم انرژی باتری تأثیر می گذارد, جایی که صرفه جویی در وزن دامنه رانندگی را بهبود می بخشد.
- تجهیزات سنگین: فولادهای نیکل و آلیاژهای نیکل مس (تراکم 7.8-8.8.8 گرم در سانتی متر مربع) در ماشین آلات ساختمانی و تجهیزات معدن ، مقاومت و مقاومت در برابر سایش را فراهم کنید.
پردازش شیمیایی و پتروشیمی: مقاومت در برابر خوردگی با راندمان جرم
در گیاهان شیمیایی و پالایشگاه ها, آلیاژهای نیکل باید مقاومت کنند اسیدهای خورنده, قلیایی, و گازهای پر فشار:
- سرود 400 (8.80 g/cm³): به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی برای خطوط لوله دریایی و انتقال آب دریا انتخاب شده است.
- سری C (8.9 گرم در سانتی متر مربع): در راکتورهای پردازش اسید استفاده می شود, جایی که چگالی در برابر مقاومت در برابر خوردگی و یکپارچگی مکانیکی متعادل است.
چگالی نه تنها تأثیر می گذارد قدرت مکانیکی بلکه هدایت حرارتی وت راندمان انتقال حرارت, هر دو در راکتورهای شیمیایی بسیار مهم هستند.
ریخته گری, جعل, و تولید افزودنی: استحکامات کنترل کننده
رفتار چگالی نیکل در طول پردازش حرارتی مستقیماً بر نتایج تولید تأثیر می گذارد:
- ریخته گری: کاهش چگالی پس از ذوب (8.908 → 8.70 ~ گرم در سانتی متر مربع) برای جلوگیری از آن باید حساب شود تخلخل کوچک در قالب.
- جعل و لگن (فشار ایزوستاتیک داغ): فشار اعمال شده آلیاژهای نیکل, بستن حفره ها و افزایش قدرت مکانیکی.
- تولید افزودنی (من): فیوژن پودر بستر و رسوب انرژی هدایت شده به چگالی پودر سازگار برای پیش بینی متکی است قابلیت جریان, یکنواختی لایه, و تراکم قسمت آخر.
کاربردهای انرژی و هسته ای: هنگامی که چگالی بالا یک مزیت است
در برخی از صنایع, چگالی بالاتر سودمند است:
- آلیاژهای نیکل تونگستن (~ 10.0 گرم در سانتی متر مربع): محافظت از تابش در راکتورهای هسته ای و تصویربرداری پزشکی.
- آنهایی و کاتدهای مبتنی بر نیکل: چگالی بر راندمان جریان و پایداری حرارتی در سلولهای سوخت و الکترولیزها تأثیر می گذارد.
6. جدول مرجع سریع: نیکل خالص و آلیاژهای مشترک
| مادی / الیاژ | ترکیب (عناصر اصلی) | تراکم (g/cm³ @ 20 درجه سانتیگراد) | نقطه ذوب (درجه سانتیگراد) | برنامه های اصلی |
| نیکل خالص (99.99%) | 99.99 ٪ در | 8.908 | 1455 | الکترونیک, دما, برقی |
| نیکل تجاری (درجه 200) | 99.0 ٪ در + ناخالصی های آهن | 8.85–8.90 | 1445–1455 | تجهیزات پردازش شیمیایی, سخت افزار دریایی |
| سرود 400 | 65 ~, 34% مس, 1% با | 8.80 | 1350–1400 | مهندسی دریایی, پمپ, مبدلهای حرارتی |
| ناله 600 | 72 ~, 14–17 ٪ cr, 6-10 ٪ آهن | 8.47 | 1354–1413 | پردازش شیمیایی, اجزای کوره, راکتورهای هسته ای |
| ناله 625 | 59 ٪, 21.5% کلوچه, 9% مس, 5% با | 8.44 | 1290–1350 | توربین های هوایی, راکتورهای هسته ای, گیاهان شیمیایی |
| زنبور عسل | 58 ~, 19% کلوچه, 13% هم, 4% مس, از, با هم | 8.19 | 1320–1380 | دیسک های توربین موتور جت, اتصال دهنده های هوافضا |
Nimonic 80a |
76 ~, 20% کلوچه, از, با هم | 8.19 | 1320–1385 | توربین های گازی, دریچه های اگزوز, چشمه های درجه حرارت بالا |
| Hastelloy x | 47 ~, 22% کلوچه, 18.5% با, 9% مس | 8.30 | 1260–1355 | اتاق های احتراق توربین گازی, مجاری درجه حرارت بالا |
| Hastelloy C-22 | 56 ~, 22% کلوچه, 13% مس, 3% حرف, با | 8.69 | 1350–1400 | راکتورهای شیمیایی, اسکراب, کنترل آلودگی |
| Hastelloy C-276 | 57 ~, 16% مس, 15% کلوچه, 5% با, حرف | 8.89 | 1325–1370 | اسکرابرهای گاز دودکش, پردازش شیمیایی, کنترل آلودگی |
| وابسته به 825 | 42 ~, 21.5% کلوچه, 30-35 ٪ آهن, 3% مس | 8.14 | 1385–1400 | لوله کشی مقاوم در برابر اسید, سیستم های اگزوز دریایی |
| نیکل - (30% حرف) | 70 ~ در, 30% حرف | 10.0 | 1455-1500 | محافظت از تابش, قطعات مقاوم در برابر سایش |
| تغییر شکل 36 | 64 ٪ آهن, 36% در | 8.05 | 1430–1440 | سازهای دقیق, برنامه های گسترش حرارتی کم |
7. پایان
تراکم نیکل یک خاصیت فیزیکی اساسی است, تولید, و عملکرد در صنایع پیشرفته.
عواملی مانند خلوص, هلیاژ, درجه حرارت, و فشار تغییرات جزئی ایجاد می کند, اما درک این تفاوت ها برای مهندسان و دانشمندان مادی بسیار مهم است.
ترکیب نیکل از چگالی بالا, قدرت مکانیکی, و مقاومت حرارتی آن را در سراسر هوافضا ضروری می کند, شیمیایی, انرژی, و بخش های الکترونیکی.
متداول
آیا شکل نیکل است (جامد در مقابل. پودر) بر تراکم آن تأثیر می گذارد?
بله. "چگالی واقعی" (تراکم خود نیکل) برای مواد جامد و پودرها یکسان است (8.908 گرم در سانتی متر مربع برای نیکل خالص), اما "تراکم فله" (جرم/حجم بستر پودر) پایین است (4-5 گرم در سانتی متر مربع) به دلیل حفره بین ذرات.
پیکنومتری گاز چگالی واقعی را اندازه گیری می کند, در حالی که تراکم شیر چگالی فله را اندازه گیری می کند.
کار سرماخوردگی چگونه بر چگالی نیکل تأثیر می گذارد?
کار سرد (به عنوان مثال, نورد, جعل) چگالی نیکل را کمی افزایش می دهد (0.1-0.2 ٪) با کاهش نقص شبکه (ابلاغیه) و فشرده سازی حفره ها.
به عنوان مثال, نیکل نورد سرد دارای چگالی 8.92 گرم در سانتی متر در سانتی متر است, در مقابل. 8.908 g/cm³ برای نیکل آنیل شده.
چگالی نیکل بالاتر از سایر فلزات رایج است?
بله. نیکل متراکم تر از آلومینیوم است (2.70 g/cm³), اتو کردن (7.87 g/cm³), و تیتانیوم (4.51 g/cm³) اما نسبت به مس متراکم تر است (8.96 g/cm³), برنج (8.4-8.7 گرم در سانتی متر مربع), و تنگستن (19.3 g/cm³).
می توان از چگالی برای تمایز نیکل از فلزات تقلبی استفاده کرد?
بله. به عنوان مثال, فولاد روکش شده (چگالی 7.9 گرم در سانتی متر مربع) چگالی کمتری نسبت به نیکل خالص دارد (8.908 g/cm³), ساختن اصل Archimedes به روشی ساده برای تشخیص جعل (به عنوان مثال, سکه های نیکل جعلی).
چگالی نیکل در فضا چیست (خلاء, دمای شدید)?
در خلاء, تراکم بی تأثیر است (فقط درجه حرارت و فشار). در دمای کرایوژنیک (-200درجه سانتیگراد), چگالی نیکل به 8.95 گرم در سانتی متر در سانتی متر افزایش می یابد (به دلیل انقباض مشبک).
در ریزگردها, اندازه گیری چگالی از طریق اصل Archimedes غیرممکن است, بنابراین در عوض از XRD استفاده می شود.
