1. Uvod
Nikal je kritični metal koji se široko koristi u industrijskom, zrakoplovstvo, energija, i kemijske primjene zbog svoje otpornosti na koroziju, mehanička čvrstoća, i toplinska stabilnost.
Razumijevanje njegove gustoće temeljno je za inženjere i materijalne znanstvenike jer utječe na izračunavanje težine, komponentni dizajn, toplinsko ponašanje, i sveukupni materijalni učinak.
Referentna gustoća čistog nikla na sobnoj temperaturi (20 ° C) je otprilike 8.908 g/cm³ (ili 8,908 kg/m³).
Ova unutarnja svojstva podupire Nickel-ove primjene u legurama visokih performansi, strukturne komponente, i specijalizirane prevlake.
2. Kolika je gustoća nikla
Gustoća definira se kao masa po jedinici volumena (p = m/v). Za nikl, Njegova gustoća proizlazi iz atomske mase (58.6934 u) i njegovo kubično usmjereno na lice (FCC) kristalna struktura, koji atomi učinkovito spakiraju.
Na standardnom temperaturi i tlaku, Nikal pokazuje stabilnu rešetku FCC -a s rešetkom 0.352 NM, proizvodeći njegovu karakterističnu gustoću 8.908 g/cm³.
3. Čimbenici koji utječu na gustoću nikla
Gustoća nikla (~ 8,908 g/cm³ na 20 ° C za metal ultra-visoke čistoće) nije fiksna konstanta; varira od čistoća, legiranje, temperatura, i pritisak.
Čistoća: Primarni pokretač varijabilnosti gustoće
Referentna gustoća 8.908 g/cm³ primjenjuje se isključivo na Nikal ultra-visoke čistoće (≥99,99%), kao što je elektrolitički nikl koji se koristi u elektronici i preciznim instrumentima.
U industrijskoj praksi, nikl rijetko doseže ovu čistoću.
Nečistoće, bilo da je namjeran (legirajući elementi) ili slučajno (Ostale rude, obrada onečišćenja), Zamjenite nikl atome u kristalnoj rešetki, Promjena gustoće na temelju njihove atomske mase i koncentracije.
Uobičajene nečistoće i njihovi učinci (Podaci iz ASM priručnika, Volumen 2):
| Nečistoća | Gustoća (g/cm³) | Tipična koncentracija u komercijalnom nikla | Rezultirajuća gustoća nikla (g/cm³) | Promjena gustoće vs. Čisti nikl |
| Željezo (FE) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | -0,01 do -0,06 |
| Bakar (Pokrajina) | 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 |
| Kisik (O, plin) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Zanemariv |
Legiranje: Krojanje gustoće za performanse
Nikl formira legure s elementima poput bakar (Pokrajina), krom (CR), molibden (Mokar), volfram (W), i željezo (FE), proizvodeći materijale s gustoćama koji se znatno razlikuju od čistog nikla.
Odabrane legure i gustoće:
| Legura | Sastav | Gustoća (g/cm³) | Razlika vs. U | Primarna primjena |
| Monel 400 | 65% U, 34% Pokrajina, 1% FE | 8.80 | −0.108 | Otpor morske korozije |
| Udruživanje 625 | 59% U, 21.5% CR, 9% Mokar, 5% FE | 8.44 | −0.468 | Otpornost na puzanje visoke temperature |
| Hastelloy x | 47% U, 22% CR, 18.5% FE, 9% Mokar | 8.30 | −0.608 | Komore za izgaranje plinske turbine |
| Nikla (30% W) | 70% U, 30% W | 10.0 | +1.092 | Zaštita zračenja, nositi otpor |
| Invar 36 | 64% FE, 36% U | 8.05 | −0.858 | Alati za nisku toplinsku ekspanziju |
Temperatura: Toplinsko širenje i smanjenje gustoće
Nikal se širi toplinom, smanjujući njegovu gustoću.
A Linearni koeficijent toplinskog širenja (Cte) jer nikl je ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; a približni volumetrijski CTE je ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Koristeći ove vrijednosti, gustoća nikla smanjuje se s temperaturom:
- Na 100 ° C: Gustoća ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Na 500 ° C: Gustoća ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Na 1455 ° C (talište, tekući nikl): Gustoća ≈ 8.70 g/cm³ (Tekući metali su manje gusti od krutih tvari zbog povećanog atomskog poremećaja)
Ova gustoća ovisna o temperaturi je kritična za:
- Lijevanje na visokoj temperaturi: Kalupi moraju uzeti u obzir promjene gustoće tijekom učvršćivanja kako bi se izbjegli nedostaci skupljanja.
- Zrakoplovne komponente: Nikl superoleliji u mlaznim motorima (djeluje na 1000–1200 ° C) Smanjenje gustoće iskustva koje utječu na toplinsku vodljivost i strukturnu stabilnost.
Pritisak: Povećanje kompresije i gustoće
Nikl -ov modul (~ 170 GPA) mjeri otpornost na kompresiju. Visoki tlak lagano povećava gustoću:
- Na 1 GPA (≈10.000 atm, tipično za duboko morska okruženja): Gustoća se povećava za ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- Na 10 GPA (ekstremni pritisak, Npr., planetarne jezgre): Gustoća se povećava na ~ 9,3 g/cm³.
Oprema dubokog mora: Komponente s niklom u potopnim sredstvima moraju izdržati promjene gustoće izazvane tlakom bez strukturnog kvara.
Visokotlačno obrada metala: Procesi poput vrućeg izostatskog pritiska (Bok) Upotrijebite pritisak da biste zgusnili legure nikla, Smanjenje poroznosti i povećanje konačne gustoće.
4. Mjerenje gustoće
Arhimedes Princip i hidrostatičko vaganje
Uzorci nikla su potopljeni u tekućini, a gustoća se izračunava od plutajućih sila. Ova je metoda jednostavna i pouzdana za skupne komponente.
Rendgenska difrakcija (XRD)
XRD izračunava gustoću iz rešetkastih parametara nikla kristalne strukture (izmjereno rendgenskim raspršivanjem). Ova metoda je:
- Nerazorni: Idealno za vrijedne ili osjetljive uzorke (Npr., zrakoplovne komponente).
- Vrlo precizan: ± 0,0001 g/cm³ za čisti nikl, Kako izravno mjeri atomsko pakiranje, a ne svojstva skupnih.
- Ograničenja: Zahtijeva dobro kristalizirani uzorak (nije prikladan za prah ili amorfni nikl).
Piknometrija (za pudere)
Za nikla praška (koristi se u proizvodnji aditiva ili premaza), plinska piknometrija (ASTM D6226) mjeri istinsku gustoću izmjenom plina (Npr., helij) u zapečaćenoj komori.
To izbjegava pogreške od praznina u krevetima u prahu, dajući gustoću unutar ± 0,002 g/cm³ teorijske vrijednosti.
Varijabilnost mjerenja
Prijavljene gustoće mogu se malo razlikovati zbog nečistoće, poroznost, metoda mjerenja, i temperatura, obično unutar ± 0,01–0,02 g/cm³ za visokokvalitetni nikl.
5. Industrijska relevantnost gustoće nikla
Gustoća nikla nije samo teorijsko svojstvo - to izravno utječe na to kako su metal i njegove legure dizajniran, obrađen, i primjenjiva se u industrijama.
Od zrakoplovnih turbina do kemijskih biljaka i aditivne proizvodnje, Gustoća igra ključnu ulogu u učinkovitosti materijala i inženjerske učinkovitosti.
Zrakoplovstvo i zrakoplovstvo: Uravnotežavanje težine i snage
Materijali za potražnju zrakoplova i svemirskih letjelica sa Omjer visoke snage i težine.
Dok je čisti nikl relativno gust (8.908 g/cm³), superaleli sa sjedištem u nikla, kao što je Udruživanje 625 (8.44 g/cm³) ili Hastelloy x (8.30 g/cm³) pružiti kompromis:
- Niža gustoća smanjuje ukupnu težinu motora ili strukturne težine, Ušteda goriva i proširenje raspona.
- Stabilnost visoke temperature osigurava otpornost na puzanje i umor na >1000 ° C.
Primjer: A 1% Smanjenje mase diska turbina kroz optimizaciju gustoće legure može se uštedjeti Stotine kilograma mlaznog goriva godišnje po zrakoplovu.
Automobilski i teški strojevi: Trajnost i učinkovitost
Gustoća nikla također je relevantna za kopneni prijevoz:
- Električna vozila (EVS): Materijali bogate niklovima (Npr., NMC, NCA) utjecati na gustoću energije baterije, Tamo gdje ušteda težine poboljšava raspon vožnje.
- Teška oprema: Nikl čelika i legure nikla (gustoća ~ 7,8–8,8 g/cm³) Omogućite žilavost i otpornost na habanje u građevinskim strojevima i rudarskoj opremi.
Kemijska i petrokemijska obrada: Otpornost na koroziju s masovnom učinkovitošću
U kemijskim biljkama i rafinerijama, legure nikla moraju se oduprijeti korozivne kiseline, alkalija, i plinovi visokog pritiska:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Izabran za morske cjevovode i rukovanje morskom vodom zbog izvrsne otpornosti na koroziju.
- Hastelloy C-serija (~ 8,9 g/cm³): Koristi se u reaktorima za obradu kiseline, Tamo gdje je gustoća uravnotežena od otpornosti na koroziju i mehanički integritet.
Gustoća ne utječe samo na mehanička čvrstoća Ali i toplinska vodljivost i Učinkovitost prijenosa topline, Oboje kritični u kemijskim reaktorima.
Lijevanje, Kovanje, i aditivna proizvodnja: Kontroliranje učvršćivanja
Nikalsko ponašanje gustoće tijekom toplinske obrade izravno utječe na rezultate proizvodnje:
- Lijevanje: Smanjenje gustoće nakon taljenja (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) mora se računati kako bi se spriječilo Poroznost skupljanja u plijesnima.
- Kovanje i kuk (Vruće izostatsko prešanje): Primijenjeni tlak zgušnjava legure nikla, Zatvaranje praznina i povećanje mehaničke čvrstoće.
- Aditivna proizvodnja (Am): Fuzija na krevetu u prahu i usmjereno taloženje energije oslanjaju se na konzistentnu gustoću praha za predvidljivo Protočnost, jednoličnost sloja, i konačna gustoća dijela.
Energetska i nuklearna primjena: Kad je velika gustoća korist
U nekim industrijama, veća gustoća je povoljna:
- Legure nikla-gangsten (~ 10,0 g/cm³): Omogućite zaštitu od zračenja u nuklearnim reaktorima i medicinskom snimanju.
- Anode i katode na bazi nikla: Gustoća utječe na učinkovitost struje i toplinsku stabilnost u gorivnim ćelijama i elektrolizirima.
6. Brza referentna tablica: Čisti nikl i uobičajene legure
| Materijal / Legura | Sastav (Glavni elementi) | Gustoća (g/cm³ @ 20 ° C) | Talište (° C) | Ključne aplikacije |
| Čisti nikl (99.99%) | ≥99,99% na | 8.908 | 1455 | Elektronika, termoparovi, melediranje |
| Komercijalni nikl (Razred 200) | ≥99,0% na + Fe nečistoće | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Kemijska oprema za obradu, morski hardver |
| Monel 400 | ~ 65%, 34% Pokrajina, 1% FE | 8.80 | 1350–1400 | Morski inženjering, pumpe, izmjenjivači topline |
| Udruživanje 600 | ~ 72%, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Kemijska obrada, komponente peći, nuklearni reaktori |
| Udruživanje 625 | ~ 59%, 21.5% CR, 9% Mokar, 5% FE | 8.44 | 1290–1350 | Zrakoplovne turbine, nuklearni reaktori, kemijske biljke |
| Osaš | ~ 58% su, 19% CR, 13% Co, 4% Mokar, Od, Al | 8.19 | 1320–1380 | Diskovi turbinskih motora, zrakoplovni pričvršćivači |
Nimonic 80A |
~ 76% su, 20% CR, Od, Al | 8.19 | 1320–1385 | Plinske turbine, ispušni ventili, Visokotemperaturni izvori |
| Hastelloy x | ~ 47%, 22% CR, 18.5% FE, 9% Mokar | 8.30 | 1260–1355 | Komore za izgaranje plinske turbine, visokotemperaturni kanali |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% su, 22% CR, 13% Mokar, 3% W, FE | 8.69 | 1350–1400 | Kemijski reaktori, pilinga, kontrola zagađenja |
| Hastelloy C-276 | ~ 57%, 16% Mokar, 15% CR, 5% FE, W | 8.89 | 1325–1370 | Dimnjački plinski piling, kemijska obrada, kontrola zagađenja |
| Nevolje 825 | ~ 42%, 21.5% CR, 30–35% Fe, 3% Mokar | 8.14 | 1385–1400 | Cijevi otporni na kiselinu, Morski ispušni sustavi |
| Nikl - (30% W) | ~ 70% u, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Zaštita zračenja, dijelovi otporni na nošenje |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% U | 8.05 | 1430–1440 | Precizni instrumenti, Primjene niske toplinske ekspanzije |
7. Zaključak
Gustoća nikla je temeljno fizičko svojstvo koje utječe na dizajn, proizvodnja, i performanse u visokotehnološkim industrijama.
Čimbenici poput čistoće, legiranje, temperatura, i pritisak stvaraju manje varijacije, Ali razumijevanje ovih nijansi presudno je za inženjere i materijalne znanstvenike.
Nikl kombinacija velike gustoće, mehanička čvrstoća, a toplinska otpornost čini ga neophodnim u zrakoplovnim svemirima, kemijski, energija, i sektori elektronike.
Česta pitanja
Da li oblik nikla (Čvrst vs. puder) utjecati na njegovu gustoću?
Da. "Prava gustoća" (gustoća nikla) Isto je i za krute tvari i pudere (~ 8,908 g/cm³ za čisti nikl), Ali "gustoća rasute" (masa/volumen kreveta u prahu) je niži (4–5 g/cm³) Zbog praznina između čestica.
Pycnometrija plina mjeri istinsku gustoću, dok gustoća slavine mjeri skupnu gustoću.
Kako hladno djelo utječe na gustoću nikla?
Hladno radeći (Npr., kotrljanje, kovanje) lagano povećava gustoću nikla (~ 0,1–0,2%) Smanjivanjem oštećenja rešetke (dislokacije) i komprimiranje praznina.
Na primjer, nikl od hladno-valjanog ima gustoću od ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ za žarki nikl.
Je li gustoća nikla veća od ostalih uobičajenih metala?
Da. Nikal je gušći od aluminija (2.70 g/cm³), željezo (7.87 g/cm³), i titanijum (4.51 g/cm³) ali manje gusti od bakra (8.96 g/cm³), mesing (8.4–8,7 g/cm³), i volfram (19.3 g/cm³).
Može li se gustoća koristiti za razlikovanje nikla od krivotvorenih metala?
Da. Na primjer, čelik s niklom (gustoća ~ 7,9 g/cm³) ima manju gustoću od čistog nikla (8.908 g/cm³), čineći Archimedov princip jednostavan način otkrivanja krivotvorina (Npr., Lažni nikl novčići).
Kolika je gustoća nikla u prostoru (vakuum, ekstremna temperatura)?
U vakuumu, gustoća ne utječe (Samo temperaturna i tlačna su materija). Na kriogenim temperaturama (-200° C), gustoća nikla povećava se na ~ 8,95 g/cm³ (Zbog kontrakcije rešetke).
U mikrogravitaciji, Mjerenje gustoće putem Arhimedovog principa je nemoguće, Dakle, umjesto toga koristi se XRD.
