1. Esittely
Nikkeli on kriittinen metalli, jota käytetään laajalti teollisuudessa, ilmailu-, energia, ja kemialliset sovellukset sen korroosionkestävyyden vuoksi, mekaaninen lujuus, ja lämmönvakaus.
Sen tiheyden ymmärtäminen on olennaista insinööreille ja materiaalitieteilijöille, koska se vaikuttaa painolaskelmiin, komponenttien suunnittelu, lämpökäyttäytyminen, ja materiaalin yleinen suorituskyky.
Puhtaan nikkelin vertailutiheys huoneenlämpötilassa (20 ° C) on suunnilleen 8.908 g/cm³ (tai 8,908 kg/m³).
Tämä luontainen ominaisuus tukee Nickelin sovelluksia korkean suorituskyvyn seoksissa, rakenteelliset komponentit, ja erikoistuneet pinnoitteet.
2. Mikä on nikkelin tiheys
Tiheys määritellään massaksi yksikkötilavuutta kohti (p = m/v). Nikkelin, Sen tiheys syntyy atomimassasta (58.6934 oa) ja sen kasvokeskeinen kuutio (FCC) kiderakenne, joka pakkaa atomit tehokkaasti.
Tavanomaisessa lämpötilassa ja paineessa, Nikkelillä on vakaa FCC -hila, jolla on hilavakio 0.352 nm, tuottaa sen ominaistiheyttä 8.908 g/cm³.
3. Nikkelitiheyteen vaikuttavat tekijät
Nikkelin tiheys (~ 8,908 g/cm³ 20 ° C erittäin korkealle metallille) ei ole kiinteä vakio; Se vaihtelee puhtaus, seotus, lämpötila, ja paine.
Puhtaus: Tiheyden vaihtelun ensisijainen ohjain
Vertailutiheys 8.908 g/cm³ koskee yksinomaan erittäin voimakas nikkeli (≥99,99%), kuten elektrolyyttinen nikkeli, jota käytetään elektroniikassa ja tarkkuusvälineissä.
Teollisuuskäytännössä, nikkeli saavuttaa tämän puhtauden harvoin.
Epäpuhtaudet, onko tarkoituksellinen (seostavat elementit) tai vahingossa (jäännösmalmit, Käsittely epäpuhtauksiin), Siirrä nikkeliatomit kidehilassa, tiheyden muuttaminen niiden atomimassan ja pitoisuuden perusteella.
Yleiset epäpuhtaudet ja niiden vaikutukset (ASM -käsikirjan tiedot, Tilavuus 2):
| Epäpuhtaus | Tiheys (g/cm³) | Tyypillinen keskittyminen kaupalliseen nikkeliin | Tuloksena oleva nikkelitiheys (g/cm³) | Tiheyden muutos vs.. Puhdas nikkeli |
| Rauta (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0,01 - −0,06 |
| Kupari (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 kohtaan +0.02 |
| Hiili (C, grafiitti) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 - -0,008 |
| Rikki (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 - -0,003 |
| Happi (N, kaasu) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Merkityksetön |
Seotus: Räätälöinti suorituskykyä varten
Nikkeli muodostaa seoksia, joilla on elementit, kuten kupari (Cu), kromi (Cr), molybdeini (MO), volframi (W -), rauta (Fe), tuottaa materiaaleja, joiden tiheydet eroavat huomattavasti puhdasta nikkeliä.
Valitut seokset ja tiheydet:
| Metalliseos | Koostumus | Tiheys (g/cm³) | Ero vs. Sisä- | Ensisijainen sovellus |
| Moneli 400 | 65% Sisä-, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0,108 | Merikorroosioresistenssi |
| Kattaa 625 | 59% Sisä-, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Korkean lämpötilan ryömintävastus |
| Hastelloy X | 47% Sisä-, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | −0,608 | Kaasuturbiinin palamiskammiot |
| Nikkeli (30% W -) | 70% Sisä-, 30% W - | 10.0 | +1.092 | Säteilysuoja, kulumiskestävyys |
| Invaroida 36 | 64% Fe, 36% Sisä- | 8.05 | −0,858 | Matala lämmön laajennustyökalut |
Lämpötila: Lämpölaajennus ja tiheyden vähentäminen
Nikkeli laajenee lämmöllä, sen tiheyden vähentäminen.
Se Lämpölaajennuksen lineaarinen kerroin (CTE) Nikkeli on ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; se likimääräinen tilavuus CTE on ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Näiden arvojen käyttäminen, Nikkelin tiheys laskee lämpötilan kanssa:
- 100 ° C: ssa: Tiheys ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- 500 ° C: ssa: Tiheys ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Lämpötilassa 1455 ° C (sulamispiste, nestemäinen nikkeli): Tiheys ≈ 8.70 g/cm³ (Nestemäiset metallit ovat vähemmän tiheitä kuin kiinteät aineet lisääntyneen atomishäiriön vuoksi)
Tämä lämpötilasta riippuvainen tiheys on kriittinen:
- Korkean lämpötilan valu: Muottien on otettava huomioon tiheysmuutokset jähmettymisen aikana kutistumisvirheiden välttämiseksi.
- Ilmailu-: Nikkelin superseokset suihkumoottoreissa (Toiminnassa 1000–1200 ° C) Kokemustiheyden vähentäminen, jotka vaikuttavat lämmönjohtavuuteen ja rakenteelliseen stabiilisuuteen.
Paine: Kompressio ja tiheys kasvaa
Nikkelin irtotavara (~ 170 GPA) mittaa puristusvastuksen. Korkea paine lisää hiukan tiheyttä:
- At 1 GPA (≈10 000 atm, tyypillinen syvänmeren ympäristöille): Tiheys kasvaa ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- At 10 GPA (äärimmäinen paine, ESIM., planeettaydin): Tiheys nousee arvoon ~ 9,3 g/cm³.
Syvänmeren laitteet: Upotusten nikkelipinnoitettujen komponenttien on kestettävä paineen aiheuttamat tiheyden muutokset ilman rakenteellisia vikoja.
Korkeapaineinen metallityö: Prosessit, kuten kuuma isostaattinen puristus (Lonkka) Käytä paineita nikkeliseosten tiivistämiseen, huokoisuuden vähentäminen ja lopullisen tiheyden lisääntyminen.
4. Tiheysmittaus
Archimedes Periaate ja hydrostaattinen punnitus
Nikkelinäytteet upotetaan nesteeseen, ja tiheys lasketaan kelluvista voimista. Tämä menetelmä on yksinkertainen ja luotettava irtotavarakomponenteille.
Röntgendiffraktio (XRD)
XRD laskee tiheyden nikkelin kiderakenteen hilaparametrista (mitattu röntgen sironta). Tämä menetelmä on:
- Tuhoamaton: Ihanteellinen arvokkaille tai herkille näytteille (ESIM., ilmailu-).
- Erittäin tarkka: ± 0,0001 g/cm³ puhtaalle nikkelille, Koska se mittaa suoraan atomipakkauksia kuin irtotavaroita.
- Rajoitukset: Vaatii hyvin kiteytetyn näytteen (ei sovellu jauheille tai amorfiselle nikkelille).
Pyknometria (jauheisiin)
Nikkelin jauheiden (Käytetään lisäaineiden valmistuksessa tai pinnoitteissa), kaasupyknometria (ASTM D6226) mittaa todellista tiheyttä syrjäyttämällä kaasu (ESIM., helium) suljetussa kammiossa.
Tämä välttää tyhjiöiden virheet jauhekerroissa, Tiheydet ± 0,002 g/cm³ teoreettisesta arvosta.
Mittausvaihtelu
Raportoidut tiheydet voivat vaihdella hieman epäpuhtauksien vuoksi, huokoisuus, mittausmenetelmä, ja lämpötila, tyypillisesti ± 0,01–0,02 g/cm³ korkealaatuisen nikkelin kohdalla.
5. Nikkelitiheyden teollisuuden merkitys
Nikkelin tiheys ei ole vain teoreettinen ominaisuus - se vaikuttaa suoraan siihen, kuinka metalli ja sen seokset ovat suunniteltu, jalostettu, ja sovelletaan kaikkialla toimialoilla.
Ilmailu-, Tiheydellä on keskeinen rooli materiaalien suorituskyvyn ja tekniikan tehokkuudessa.
Ilmailu- ja ilmailu: Painon tasapainottaminen
Ilma -aluksen ja avaruusaluksen kysyntämateriaalit Korkea lujuus-paino-suhteet.
Vaikka puhdas nikkeli on suhteellisen tiheä (8.908 g/cm³), Nikkelipohjaiset superseokset, kuten Kattaa 625 (8.44 g/cm³) tai Hastelloy X (8.30 g/cm³) antaa kompromissi:
- Alhaisempi tiheys vähentää moottorin kokonais- tai rakenteellista painoa, Polttoaineen säästäminen ja pidennysalue.
- Korkean lämpötilan vakaus varmistaa keksinkestävyyden ja väsymyksen >1000 ° C.
Esimerkki: Eräs 1% Turbiinilevyn massan väheneminen seoksen tiheyden optimoinnin avulla voi säästää Sadat kilogrammat suihkupolttoainetta vuosittain lentokonetta kohti.
Auto- ja raskas koneet: Kestävyys ja tehokkuus
Nikkelitiheys on myös merkityksellinen maankuljetuksessa:
- Sähköajoneuvot (EVS): Nikkelirikkaat katodimateriaalit (ESIM., NMC, NCA) vaikuttaa akun energian tiheyteen, missä painonsäästö parantaa ajoaluetta.
- Raskasvarusteet: Nikkeliterät ja nikkeli-kupari-seokset (tiheydet ~ 7,8–8,8 g/cm³) Tarjoa sitkeys ja kulumiskestävyys rakennuskoneissa ja kaivoslaitteissa.
Kemiallinen ja petrokemian prosessi: Korroosionkestävyys massatehokkuudella
Kemiallisissa kasveissa ja jalostamoissa, Nikkeliseosten on vastustettava syövyttävät hapot, emäksinen, ja korkeapainekaasut:
- Moneli 400 (8.80 g/cm³): Valittu meriputkistoihin ja meriveden käsittelyyn erinomaisen korroosionkestävyyden vuoksi.
- Hastelloy C-sarja (~ 8,9 g/cm³): Käytetty hapon prosessointireaktoreissa, missä tiheys on tasapainossa korroosionkestävyyden ja mekaanisen eheyden suhteen.
Tiheys vaikuttaa paitsi mekaaninen lujuus mutta myös lämmönjohtavuus ja lämmönsiirtotehokkuus, molemmat kriittiset kemiallisissa reaktoreissa.
Valu, Taonta, ja lisäaineiden valmistus: Jähmettymisen hallinta
Nikkelin tiheyskäyttäytyminen lämpökäsittelyn aikana vaikuttaa suoraan valmistustuloksiin:
- Valu: Tiheyden vähentäminen sulamisen yhteydessä (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) on otettava huomioon estämiseksi kutistuminen huokoisuus muotissa.
- Taonta ja lonkka (Kuuma isostaattinen puristus): Asetettu paine tiivistää nikkeliseokset, Sulkeminen tyhjiöt ja kasvava mekaaninen lujuus.
- Lisäaineiden valmistus (Olen): Jauhesängyn fuusio ja suunnattu energian laskeutuminen luottavat jatkuvan jauheen tiheyteen ennustettavissa Virtauskyky, kerroksen tasaisuus, ja viimeinen osatiheys.
Energia- ja ydinsovellukset: Kun korkea tiheys on etu
Joillakin toimialoilla, Suurempi tiheys on edullinen:
- Nickel-Tungsten-seokset (~ 10,0 g/cm³): Tarjoa säteilysuoja ydinreaktoreissa ja lääketieteellisissä kuvantamisissa.
- Nikkelipohjaiset anodit ja katodit: Tiheys vaikuttaa polttokennojen ja elektrolytserien virran tehokkuuteen ja lämmön stabiilisuuteen.
6. Pikaviitetaulukko: Puhdas nikkeli ja yleiset seokset
| Materiaali / Metalliseos | Koostumus (Tärkeimmät elementit) | Tiheys (g/cm³ @ 20 ° C) | Sulamispiste (° C) | Avainsovellukset |
| Puhdas nikkeli (99.99%) | ≥99,99% | 8.908 | 1455 | Elektroniikka, termoelementit, elektropanoiva |
| Kaupallinen nikkeli (Luokka 200) | ≥99,0% + Fe epäpuhtaudet | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Kemiallinen prosessointiväline, merilaitteisto |
| Moneli 400 | ~ 65%: lla on, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Merenkulku, pumput, lämmönvaihtimet |
| Kattaa 600 | ~ 72%: lla on, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Kemiallinen prosessointi, uunikomponentit, ydinreaktorit |
| Kattaa 625 | ~ 59%: lla on, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Ilmailu-, ydinreaktorit, kemialliset kasvit |
| Ampuma | ~ 58%: lla on, 19% Cr, 13% Yhteistyö, 4% MO, -, AL -AL | 8.19 | 1320–1380 | Jet -moottorin turbiinilevyt, ilmailu- |
Nimonic 80A |
~ 76%: lla on, 20% Cr, -, AL -AL | 8.19 | 1320–1385 | Kaasuturbiinit, pakoventtiilit, korkean lämpötilan jouset |
| Hastelloy X | ~ 47%: lla on, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Kaasuturbiinin palamiskammiot, korkean lämpötilan kanavat |
| Hastelloy C-22 | ~ 56%: lla on, 22% Cr, 13% MO, 3% W -, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Kemialliset reaktorit, pesurit, pilaantumisen hallinta |
| Hastelloy C-276 | ~ 57%: lla on, 16% MO, 15% Cr, 5% Fe, W - | 8.89 | 1325–1370 | Savupesurit, kemiallinen prosessointi, pilaantumisen hallinta |
| Solata 825 | ~ 42%: lla on, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Happaresistentti putkisto, merenpoistojärjestelmät |
| Nikkeli - (30% W -) | ~ 70% sisään, 30% W - | 10.0 | ~ 1455–1500 | Säteilysuoja, kuluen kestävät osat |
| Invaroida 36 | ~ 64% Fe, 36% Sisä- | 8.05 | 1430–1440 | Tarkkuusvälineet, matala lämmön laajennussovellus |
7. Johtopäätös
Nickelin tiheys on suunnittelun perustavanlaatuinen fyysinen omaisuus, valmistus, ja suorituskyky korkean teknologian teollisuudessa.
Tekijät, kuten puhtaus, seotus, lämpötila, ja paine luo pieniä variaatioita, Mutta näiden vivahteiden ymmärtäminen on kriittistä insinööreille ja materiaalitieteilijöille.
Nikkelin yhdistelmä korkeaa tiheyttä, mekaaninen lujuus, ja lämmön joustavuus tekee siitä välttämättömän ilmailu-, kemikaali-, energia, ja elektroniikkasektorit.
Faqit
Onko nikkelimuoto (vankka vs.. jauhe) vaikuttaa sen tiheyteen?
Kyllä. "Todellinen tiheys" (itse nikkelin tiheys) on sama kiinteille aineille ja jauheille (~ 8,908 g/cm³ puhtaalle nikkelille), Mutta "irtotiheys" (jauhesängyn massa/tilavuus) on alempi (4–5 g/cm³) Hiukkasten välisten tyhjiöiden takia.
Kaasu -pyknometria mittaa todellista tiheyttä, kun taas TAP -tiheys mittaa irtotavaraa.
Kuinka kylmä työ vaikuttaa nikkelin tiheyteen?
Kylmästö (ESIM., liikkuva, taonta) lisää nikkelin tiheyttä hieman (~ 0,1–0,2%) vähentämällä hilapureita (siirtymät) ja tyhjiöiden puristaminen.
Esimerkiksi, Kylmävalssatun nikkelin tiheys on ~ 8,92 g/cm³, vs.. 8.908 g/cm³ hehkutetulle nikkelille.
On nikkelin tiheys korkeampi kuin muut tavalliset metallit?
Kyllä. Nikkeli on tiheämpi kuin alumiini (2.70 g/cm³), rauta (7.87 g/cm³), ja titaani (4.51 g/cm³) mutta vähemmän tiheä kuin kupari (8.96 g/cm³), messinki (8.4–8,7 g/cm³), ja volframi (19.3 g/cm³).
Voidaanko tiheyttä käyttää nikkelin erottamiseen väärennettyistä metalleista?
Kyllä. Esimerkiksi, teräs (tiheys ~ 7,9 g/cm³) on alhaisempi tiheys kuin puhdas nikkeli (8.908 g/cm³), Archimedesin periaatteen tekeminen yksinkertaiseksi tapaan havaita väärennös (ESIM., väärennettyjä nikkelikolikoita).
Mikä on nikkelin tiheys avaruudessa (tyhjiö, äärilämpötila)?
Tyhjiössä, tiheys ei vaikuta (Vain lämpötila- ja paine -asia). Kryogeenisissä lämpötiloissa (-200° C), Nikkelin tiheys nousee arvoon ~ 8,95 g/cm³ (hilan supistumisen vuoksi).
Mikrotiedostossa, Tiheyden mittaus Archimedesin periaatteen avulla on mahdotonta, Joten XRD: tä käytetään sen sijaan.
