1. Introduction
Le nickel est un métal critique largement utilisé en industriel, aérospatial, énergie, et applications chimiques en raison de sa résistance à la corrosion, résistance mécanique, et stabilité thermique.
Comprendre sa densité est fondamental pour les ingénieurs et les scientifiques des matériaux car il influence les calculs de poids, conception de composants, comportement thermique, et les performances matériaux globales.
La densité de référence du nickel pur à température ambiante (20 ° C) est approximativement 8.908 g / cm³ (ou 8,908 kg / m³).
Cette propriété intrinsèque sous-tend les applications de Nickel en alliages haute performance, composants structurels, et revêtements spécialisés.
2. Quelle est la densité du nickel
Densité est défini comme une masse par unité de volume (p = m / v). Pour nickel, sa densité provient de la masse atomique (58.6934 u) et son cubic centré sur le visage (FCC) structure cristalline, qui contient des atomes efficacement.
À température et à la pression standard, Le nickel présente un réseau FCC stable avec une constante de réseau de 0.352 nm, produire sa densité caractéristique de 8.908 g / cm³.
3. Facteurs affectant la densité de nickel
La densité du nickel (~ 8,908 g / cm³ à 20 ° C pour le métal ultra-élevé) n'est pas une constante fixe; il varie avec pureté, alliage, température, et la pression.
Pureté: Le principal moteur de la variabilité de la densité
La densité de référence de 8.908 g / cm³ s'applique exclusivement à nickel ultra-élevé (≥99,99%), comme le nickel électrolytique utilisé dans l'électronique et les instruments de précision.
En pratique industrielle, Le nickel atteint rarement cette pureté.
Impuretés, si intentionnel (Éléments d'alliage) ou accidentel (minerais résiduels, traitement des contaminants), déplacer les atomes de nickel dans le réseau cristallin, modification de la densité en fonction de leur masse atomique et de leur concentration.
Impuretés courantes et leurs effets (Données du manuel ASM, Volume 2):
| Impureté | Densité (g / cm³) | Concentration typique dans le nickel commercial | Densité de nickel qui en résulte (g / cm³) | Changement de densité vs. Nickel pur |
| Fer (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8,90 | −0,01 à −0,06 |
| Cuivre (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8,93 | +0.002 à +0.02 |
| Carbone (C, graphite) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 à −0,008 |
| Soufre (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 à -0,003 |
| Oxygène (O, gaz) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8,908 | Négligeable |
Alliage: Adapter la densité des performances
Le nickel forme des alliages avec des éléments tels que cuivre (Cu), chrome (Croisement), molybdène (MO), tungstène (W), et le fer (Fe), Produire des matériaux avec des densités qui diffèrent considérablement du nickel pur.
Alliages et densités sélectionnées:
| Alliage | Composition | Densité (g / cm³) | Différence vs. Dans | Application principale |
| Monel 400 | 65% Dans, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0,108 | Résistance à la corrosion maritime |
| Décevoir 625 | 59% Dans, 21.5% Croisement, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Résistance au fluage à haute température |
| Hastelloy x | 47% Dans, 22% Croisement, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | −0,608 | Chambres de combustion de turbines à gaz |
| Nickel (30% W) | 70% Dans, 30% W | 10.0 | +1.092 | Blinchage de rayonnement, se résistance à l'usure |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% Dans | 8.05 | −0,858 | Outils à faible teneur en matière de dilatation |
Température: Extension thermique et réduction de la densité
Le nickel se développe avec la chaleur, réduire sa densité.
Le Coefficient linéaire de l'expansion thermique (Cte) pour le nickel est ~ 13,4 × 10⁻⁶ / ° C; le CTE volumétrique approximatif est ~ 40,2 × 10⁻⁶ / ° C. En utilisant ces valeurs, La densité du nickel diminue avec la température:
- À 100 ° C: Densité ≈ 8.908 g / cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g / cm³
- À 500 ° C: Densité ≈ 8.908 g / cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g / cm³
- À 1455 ° C (point de fusion, nickel liquide): Densité ≈ 8.70 g / cm³ (Les métaux liquides sont moins denses que les solides en raison de l'augmentation des troubles atomiques)
Cette densité dépendante de la température est essentielle pour:
- Coulée à haute température: Les moules doivent tenir compte des changements de densité pendant la solidification pour éviter les défauts de rétrécissement.
- Composants aérospatiaux: Superalliages en nickel dans les moteurs à réaction (fonctionnant à 1000–1200 ° C) ressentir des réductions de densité qui affectent la conductivité thermique et la stabilité structurelle.
Pression: Augmentation de la compression et de la densité
Module en vrac de Nickel (~ 170 GPA) mesure la résistance à la compression. La haute pression augmente légèrement la densité:
- À 1 GPA (≈10 000 ATM, typique des environnements en haute mer): La densité augmente de ~ 0,5% (≈8,95 g / cm³).
- À 10 GPA (pression extrême, Par exemple, noyaux planétaires): La densité passe à ~ 9,3 g / cm³.
Équipement en haute mer: Les composants plaqués en nickel dans les submersibles doivent résister aux changements de densité induits par la pression sans défaillance structurelle.
Travaille métallique à haute pression: Des processus comme un pressage isostatique chaud (HANCHE) Utiliser la pression pour densifier les alliages de nickel, réduire la porosité et augmenter la densité finale.
4. Mesure de la densité
Archimède' Principe et pesée hydrostatique
Les échantillons de nickel sont immergés dans un fluide, et la densité est calculée à partir des forces flottantes. Cette méthode est simple et fiable pour les composants en vrac.
Diffraction des rayons X (Xrd)
XRD calcule la densité du paramètre de réseau de la structure cristalline de Nickel (mesuré par diffusion des rayons X). Cette méthode est:
- Non destructif: Idéal pour des échantillons précieux ou délicats (Par exemple, composants aérospatiaux).
- Très précis: ± 0,0001 g / cm³ pour le nickel pur, car il mesure directement l'emballage atomique plutôt que les propriétés en vrac.
- Limites: Nécessite un échantillon bien cristallisé (pas adapté aux poudres ou au nickel amorphe).
Pycnométrie (pour les poudres)
Pour les poudres de nickel (Utilisé dans la fabrication ou les revêtements additifs), pycnométrie à gaz (ASTM D6226) mesure la vraie densité en déplaçant un gaz (Par exemple, hélium) Dans une chambre scellée.
Cela évite les erreurs des vides dans les lits en poudre, des densités qui donnent à moins de ± 0,002 g / cm³ de la valeur théorique.
Variabilité de mesure
Les densités signalées peuvent varier légèrement en raison des impuretés, porosité, méthode de mesure, et la température, généralement dans ± 0,01–0,02 g / cm³ pour le nickel de haute qualité.
5. Pertinence industrielle de la densité de nickel
La densité du nickel n'est pas seulement une propriété théorique - elle a un impact direct sur la façon dont le métal et ses alliages sont conçu, traité, et appliqué dans toutes les industries.
Des turbines aérospatiales aux plantes chimiques et à la fabrication additive, La densité joue un rôle central dans les performances des matériaux et l'efficacité de l'ingénierie.
Aérospatial et aviation: Équilibrer le poids et la force
Les avions et les vaisseaux spatiaux demandent des matériaux Ratios de force / poids élevé.
Tandis que le nickel pur est relativement dense (8.908 g / cm³), Superalliages à base de nickel tels que Décevoir 625 (8.44 g / cm³) ou Hastelloy x (8.30 g / cm³) faire un compromis:
- Densité plus faible réduit le moteur total ou le poids structurel, Économiser du carburant et une portée d'extension.
- Stabilité à haute température assure une résistance au fluage et à la fatigue à >1000 ° C.
Exemple: UN 1% La réduction de la masse du disque de turbine par l'optimisation de la densité en alliage peut économiser Des centaines de kilogrammes de carburant à jet par an par avion.
Machines automobiles et lourdes: Durabilité et efficacité
La densité de nickel est également pertinente pour le transport terrestre:
- Véhicules électriques (Véhicules électriques): Matériaux de cathode riche en nickel (Par exemple, NMC, NCA) affecter la densité d'énergie de la batterie, où les économies de poids améliorent.
- Matériel lourd: Nickel Steels et Nickel-Copper Alliages (densités ~ 7,8–8,8 g / cm³) Fournir une résistance à la ténacité et à l'usure dans les machines de construction et l'équipement minière.
Traitement chimique et pétrochimique: Résistance à la corrosion avec efficacité de masse
Dans les plantes chimiques et les raffineries, Les alliages de nickel doivent résister acides corrosifs, alcalis, et gaz à haute pression:
- Monel 400 (8.80 g / cm³): Choisi pour les pipelines marins et la manipulation de l'eau de mer en raison d'une excellente résistance à la corrosion.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 g / cm³): Utilisé dans les réacteurs de traitement des acides, où la densité est équilibrée contre la résistance à la corrosion et l'intégrité mécanique.
La densité affecte non seulement résistance mécanique mais aussi conductivité thermique et efficacité de transfert de chaleur, Les deux critiques dans les réacteurs chimiques.
Fonderie, Forgeage, et fabrication additive: Contrôler la solidification
Le comportement de densité du nickel pendant le traitement thermique influence directement les résultats de la fabrication:
- Fonderie: Réduction de la densité lors de la fusion (8.908 → ~ 8,70 g / cm³) doit être pris en compte pour éviter Porosité de rétrécissement dans les moules.
- Forger et hanche (Pressage isostatique chaud): La pression appliquée densifie les alliages de nickel, fermeture des vides et augmentation de la résistance mécanique.
- Fabrication additive (SUIS): La fusion en lit de poudre et le dépôt d'énergie dirigée comptent sur une densité de poudre constante pour prévisible Fuite, Uniformité de la couche, et densité finale des pièces.
Énergie et applications nucléaires: Lorsque la haute densité est un avantage
Dans certaines industries, une densité plus élevée est avantageuse:
- Alliages de nickel-tungsten (~ 10,0 g / cm³): Fournir un blindage de rayonnement dans les réacteurs nucléaires et l'imagerie médicale.
- Anodes et cathodes à base de nickel: La densité influence l'efficacité actuelle et la stabilité thermique des piles à combustible et des électrolyseurs.
6. Tableau de référence rapide: Nickel pur et alliages communs
| Matériel / Alliage | Composition (Éléments majeurs) | Densité (g / cm³ @ 20 ° C) | Point de fusion (° C) | Applications clés |
| Nickel pur (99.99%) | ≥99,99% à | 8.908 | 1455 | Électronique, thermocouples, électroplaste |
| Nickel commercial (Grade 200) | ≥99,0% à + Impuretés FE | 8.85–8,90 | 1445–1455 | Équipement de traitement chimique, matériel marin |
| Monel 400 | ~ 65% ont, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Génie maritime, pompes, échangeurs de chaleur |
| Décevoir 600 | ~ 72% ont, 14–17% CR, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Traitement chimique, composants de la fournaise, réacteurs nucléaires |
| Décevoir 625 | ~ 59% ont, 21.5% Croisement, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Turbines aérospatiales, réacteurs nucléaires, plantes chimiques |
| Guérison | ~ 58% ont, 19% Croisement, 13% Co, 4% MO, De, Al | 8.19 | 1320–1380 | Disques de turbine en moteur à réaction, attaches aérospatiales |
Nimonique 80a |
~ 76% ont, 20% Croisement, De, Al | 8.19 | 1320–1385 | Turbines à gaz, vannes d'échappement, ressorts à haute température |
| Hastelloy x | ~ 47% ont, 22% Croisement, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Chambres de combustion de turbines à gaz, conduits à haute température |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% ont, 22% Croisement, 13% MO, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Réacteurs chimiques, époux, contrôle de la pollution |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% ont, 16% MO, 15% Croisement, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Épurateurs à gaz de combustion, traitement chimique, contrôle de la pollution |
| Incolorer 825 | ~ 42% ont, 21.5% Croisement, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Tuyauterie résistante à l'acide, systèmes d'échappement marin |
| Nickel - (30% W) | ~ 70% dans, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Blinchage de rayonnement, pièces de l'usure |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% Dans | 8.05 | 1430–1440 | Instruments de précision, Applications d'extension thermique faibles |
7. Conclusion
La densité de Nickel est une propriété physique fondamentale influençant la conception, fabrication, et performance dans les industries de haute technologie.
Des facteurs tels que la pureté, alliage, température, et la pression créent des variations mineures, Mais comprendre ces nuances est essentielle pour les ingénieurs et les scientifiques des matériaux.
La combinaison de nickel de haute densité, résistance mécanique, et la résilience thermique la rend indispensable à travers l'aérospatiale, chimique, énergie, et les secteurs de l'électronique.
FAQ
Est-ce que la forme de nickel (solide vs. poudre) affecter sa densité?
Oui. «Vraie densité» (densité du nickel lui-même) est le même pour les solides et les poudres (~ 8,908 g / cm³ pour le nickel pur), Mais la «densité en vrac» (Masse / volume du lit de poudre) est plus bas (4–5 g / cm³) En raison de vides entre les particules.
La pycnométrie de gaz mesure la vraie densité, tandis que la densité du robinet mesure la densité en vrac.
Comment le travail au froid affecte-t-il la densité de Nickel?
Travail au froid (Par exemple, roulement, forgeage) augmente légèrement la densité de Nickel (~ 0,1 à 0,2%) en réduisant les défauts de réseau (luxations) et des vides de compression.
Par exemple, Le nickel roulé à froid a une densité de ~ 8,92 g / cm³, contre. 8.908 g / cm³ pour nickel recuit.
La densité de Nickel est-elle plus élevée que les autres métaux communs?
Oui. Le nickel est plus dense que l'aluminium (2.70 g / cm³), fer (7.87 g / cm³), et titane (4.51 g / cm³) mais moins dense que le cuivre (8.96 g / cm³), laiton (8.4–8,7 g / cm³), et tungstène (19.3 g / cm³).
La densité peut être utilisée pour distinguer le nickel des métaux contrefaits?
Oui. Par exemple, acier nickel (densité ~ 7,9 g / cm³) a une densité plus faible que le nickel pur (8.908 g / cm³), faire du principe d'Archimède un moyen simple de détecter les contrefaçons (Par exemple, fausses pièces de nickel).
Quelle est la densité du nickel dans l'espace (vide, température extrême)?
Dans le vide, La densité n'est pas affectée (Seule la température et la pression). Aux températures cryogéniques (-200° C), La densité du nickel augmente à ~ 8,95 g / cm³ (En raison de la contraction du réseau).
En microgravité, La mesure de la densité via le principe d'Archimède est impossible, donc xrd est utilisé à la place.
