1. Įvadas
Nikelis yra kritinis metalas, plačiai naudojamas pramonėje, kosmoso, energija, ir cheminiai pritaikymai dėl atsparumo korozijai, Mechaninis stiprumas, ir šiluminis stabilumas.
Inžinieriams ir materialiems mokslininkams labai svarbu suprasti jo tankį, nes jis daro įtaką svorio skaičiavimams, Komponentų dizainas, Šiluminis elgesys, ir bendras materialus našumas.
Gryno nikelio etaloninis tankis kambario temperatūroje (20 ° C.) yra maždaug 8.908 g/cm³ (arba 8,908 kg/m³).
Šis vidinis turtas pagrindžia nikelio taikymą aukšto našumo lydiniuose, struktūriniai komponentai, ir specializuotos dangos.
2. Koks yra nikelio tankis
Tankis yra apibrėžta kaip masė tūrio vienetui (p = m/v). Nikeliui, Jo tankis atsiranda dėl atominės masės (58.6934 u) ir jo veidą orientuota kubinė (FCC) kristalų struktūra, kurie efektyviai supakuoja atomus.
Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, Nikelis demonstruoja stabilią FCC grotelę su gardelės konstanta 0.352 nm, gamindamas savo būdingą tankį 8.908 g/cm³.
3. Veiksniai, turintys įtakos nikelio tankiui
Nikelio tankis (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C, skirtas ypač aukšto grūdo metalui) nėra fiksuota konstanta; tai skiriasi grynumas, Lydimas, temperatūra, ir spaudimas.
Grynumas: Pagrindinis tankio kintamumo variklis
Etaloninis tankis 8.908 g/cm³ taikomas tik ypač aukšto grynumo nikelis (≥99,99%), tokių kaip elektrolitinis nikelis, naudojamas elektronikoje ir tiksliuose instrumentuose.
Pramoninėje praktikoje, Nikelis retai pasiekia šį grynumą.
Impurities, ar tyčia (Lydiniai elementai) ar atsitiktinis (Likusios rūdos, Teršalų apdorojimas), Išleiskite nikelio atomus kristalų grotelėje, Pakeitus tankį, atsižvelgiant į jų atominę masę ir koncentraciją.
Bendros priemaišos ir jų padariniai (ASM vadovas, Apimtis 2):
| Priemaiša | Tankis (g/cm³) | Tipinė koncentracija komerciniame nikelyje | Atsirandantis nikelio tankis (g/cm³) | Tankio keitimas vs. Grynas nikelis |
| Lygintuvas (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | –0,01 iki –0,06 |
| Vario (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 į +0.02 |
| Anglies (C, grafitas) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | –0,001 iki –0,008 |
| Sieros (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | –0,001 iki –0,003 |
| Deguonis (O, dujos) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | Nereikšminga |
Lydimas: Siuvimo tankis našumui
Nikelis formuoja lydinius su tokiais elementais kaip Vario (Cu), Chromas (Kr), molibdenas (MO), volframas (W), ir geležis (Fe), Gamina medžiagas, kurių tankis iš esmės skiriasi nuo gryno nikelio.
Pasirinkti lydiniai ir tankiai:
| Lydinys | Kompozicija | Tankis (g/cm³) | Skirtumas prieš. Į | Pirminė programa |
| Monel 400 | 65% Į, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | –0,108 | Jūrų korozijos atsparumas |
| Inconel 625 | 59% Į, 21.5% Kr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Aukštos temperatūros atsparumas šliaužiant |
| Hastelloy x | 47% Į, 22% Kr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | −0,608 | Dujų turbinos degimo kameros |
| Nikelis (30% W) | 70% Į, 30% W | 10.0 | +1.092 | Radiacijos ekranas, atsparumas nusidėvėjimui |
| Invaras 36 | 64% Fe, 36% Į | 8.05 | –0,858 | Mažos šiluminės išplėtimo įrankiai |
Temperatūra: Šilumos išsiplėtimas ir tankio sumažinimas
Nikelis plečiasi šiluma, mažinant jo tankį.
The Linijinis šiluminio išsiplėtimo koeficientas (Cte) nes nikelis yra ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; the Apytikslis tūrinis CTE yra ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Naudojant šias vertes, Nikelio tankis mažėja esant temperatūrai:
- 100 ° C temperatūroje: Tankis ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Esant 500 ° C.: Tankis ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- 1455 ° C temperatūroje (lydymosi taškas, liquid nickel): Tankis ≈ 8.70 g/cm³ (liquid metals are less dense than solids due to increased atomic disorder)
This temperature-dependent density is critical for:
- High-temperature casting: Molds must account for density changes during solidification to avoid shrinkage defects.
- Aviacijos ir kosmoso komponentai: Nickel superalloys in jet engines (operating at 1000–1200°C) experience density reductions that affect thermal conductivity and structural stability.
Spaudimas: Suspaudimas ir tankio padidėjimas
Nickel’s bulk modulus (~170 GPa) measures resistance to compression. High pressure slightly increases density:
- At 1 GPA (≈10,000 atm, typical of deep-sea environments): Density increases by ~0.5% (≈8.95 g/cm³).
- At 10 GPA (kraštutinis slėgis, Pvz., planetary cores): Density rises to ~9.3 g/cm³.
Deep-sea equipment: Nickel-plated components in submersibles must withstand pressure-induced density changes without structural failure.
High-pressure metalworking: Processes like hot isostatic pressing (Hip) use pressure to densify nickel alloys, reducing porosity and increasing final density.
4. Tankio matavimas
Archimedes’ Principle and Hydrostatic Weighing
Nickel samples are submerged in a fluid, and density is calculated from buoyant forces. This method is simple and reliable for bulk components.
Rentgeno spindulių difrakcija (XRD)
XRD calculates density from the lattice parameter of nickel’s crystal structure (measured via X-ray scattering). This method is:
- Non-destructive: Ideal for valuable or delicate samples (Pvz., aviacijos ir kosmoso komponentai).
- Highly precise: ±0.0001 g/cm³ for pure nickel, as it directly measures atomic packing rather than bulk properties.
- Apribojimai: Requires a well-crystallized sample (not suitable for powders or amorphous nickel).
Pycnometrija (Milteliams)
For nickel powders (used in additive manufacturing or coatings), gas pycnometry (ASTM D6226) measures true density by displacing a gas (Pvz., helium) in a sealed chamber.
This avoids errors from voids in powder beds, yielding densities within ±0.002 g/cm³ of the theoretical value.
Matavimo kintamumas
Reported densities can vary slightly due to impurities, poringumas, matavimo metodas, ir temperatūra, typically within ±0.01–0.02 g/cm³ for high-quality nickel.
5. Nikelio tankio pramoninė svarba
The density of nickel is not just a theoretical property—it directly impacts how the metal and its alloys are designed, processed, and applied across industries.
From aerospace turbines to chemical plants and additive manufacturing, density plays a pivotal role in material performance and engineering efficiency.
Aviacijos ir kosmoso ir aviacijos: Svorio ir jėgos balansavimas
Aircraft and spacecraft demand materials with high strength-to-weight ratios.
While pure nickel is relatively dense (8.908 g/cm³), nickel-based superalloys such as Inconel 625 (8.44 g/cm³) arba Hastelloy x (8.30 g/cm³) provide a compromise:
- Mažesnis tankis reduces total engine or structural weight, saving fuel and extending range.
- High-temperature stability ensures resistance to creep and fatigue at >1000 ° C..
Pavyzdys: A 1% reduction in turbine disk mass through alloy density optimization can save hundreds of kilograms of jet fuel annually per aircraft.
Automobilių ir sunkiosios mašinos: Patvarumas ir efektyvumas
Nickel density is also relevant for ground transport:
- Electric vehicles (EVS): Nickel-rich cathode materials (Pvz., NMC, NCA) affect battery energy density, where weight savings improve driving range.
- Sunkioji įranga: Nickel steels and nickel-copper alloys (densities ~7.8–8.8 g/cm³) provide toughness and wear resistance in construction machinery and mining equipment.
Cheminis ir naftos cheminis apdorojimas: Atsparumas korozijai su masiniu efektyvumu
In chemical plants and refineries, nickel alloys must resist corrosive acids, ALKALIS, and high-pressure gases:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Chosen for marine pipelines and seawater handling due to excellent corrosion resistance.
- Hastelloy C-series (~8.9 g/cm³): Used in acid processing reactors, where density is balanced against corrosion resistance and mechanical integrity.
Density affects not only Mechaninis stiprumas but also Šilumos laidumas ir heat transfer efficiency, both critical in chemical reactors.
Liejimas, Kalimas, ir priedų gamyba: Kontroliuojantis kietėjimas
Nickel’s density behavior during thermal processing directly influences manufacturing outcomes:
- Liejimas: Density reduction upon melting (8.908 → ~8.70 g/cm³) must be accounted for to prevent susitraukimo poringumas in molds.
- Forging and HIP (Karštas izostatinis presavimas): Applied pressure densifies nickel alloys, closing voids and increasing mechanical strength.
- Priedinė gamyba (Am): Powder-bed fusion and directed energy deposition rely on consistent powder density for predictable Srautas, layer uniformity, and final part density.
Energijos ir branduolinės programos: Kai didelis tankis yra nauda
In some industries, higher density is advantageous:
- Nikelio vokštas lydiniai (~10.0 g/cm³): Provide radiation shielding in nuclear reactors and medical imaging.
- Nickel-based anodes and cathodes: Density influences current efficiency and thermal stability in fuel cells and electrolyzers.
6. Greita atskaitos lentelė: Grynas nikelis ir paprasti lydiniai
| Medžiaga / Lydinys | Kompozicija (Pagrindiniai elementai) | Tankis (g/cm³ @ 20 ° C.) | Lydymosi taškas (° C.) | Pagrindinės programos |
| Grynas nikelis (99.99%) | ≥99.99% Ni | 8.908 | 1455 | Elektronika, Termoelementai, Elektropliacija |
| Commercial Nickel (Pažymys 200) | ≥99.0% Ni + Fe impurities | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Cheminio perdirbimo įranga, Jūrų įranga |
| Monel 400 | ~65% Ni, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Marine engineering, Siurbliai, Šilumokaičiai |
| Inconel 600 | ~72% Ni, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Cheminis apdorojimas, krosnies komponentai, Branduoliniai reaktoriai |
| Inconel 625 | ~59% Ni, 21.5% Kr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Aviacijos ir kosmoso turbinos, Branduoliniai reaktoriai, Cheminiai augalai |
| Waspaloy | ~58% Ni, 19% Kr, 13% Co, 4% MO, Iš, Al | 8.19 | 1320–1380 | Jet engine turbine disks, Aviacijos ir kosmoso tvirtinimo detalės |
Nimoninis 80a |
~76% Ni, 20% Kr, Iš, Al | 8.19 | 1320–1385 | Dujų turbinos, exhaust valves, high-temperature springs |
| Hastelloy x | ~47% Ni, 22% Kr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Dujų turbinos degimo kameros, high-temperature ducts |
| Hastelloy C-22 | ~56% Ni, 22% Kr, 13% MO, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Cheminiai reaktoriai, šveitikliai, Taršos kontrolė |
| Hastelloy C-276 | ~57% Ni, 16% MO, 15% Kr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Flue gas scrubbers, Cheminis apdorojimas, Taršos kontrolė |
| Inoloy 825 | ~42% Ni, 21.5% Kr, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Acid-resistant piping, marine exhaust systems |
| Nickel–Tungsten (30% W) | ~70% Ni, 30% W | 10.0 | ~1455–1500 | Radiacijos ekranas, Dėvėti atsparūs dalys |
| Invaras 36 | ~64% Fe, 36% Į | 8.05 | 1430–1440 | Precision instruments, low thermal expansion applications |
7. Išvada
Nickel’s density is a fundamental physical property influencing design, Gamyba, and performance in high-tech industries.
Factors such as purity, Lydimas, temperatūra, and pressure create minor variations, but understanding these nuances is critical for engineers and material scientists.
Nickel’s combination of high density, Mechaninis stiprumas, and thermal resilience makes it indispensable across aerospace, Cheminė, energija, and electronics sectors.
DUK
Ar nikelio forma (kietas vs. milteliai) paveikti jo tankį?
Taip. “True density” (density of the nickel itself) is the same for solids and powders (~8.908 g/cm³ for pure nickel), but “bulk density” (mass/volume of the powder bed) is lower (4–5 g/cm³) due to voids between particles.
Gas pycnometry measures true density, while tap density measures bulk density.
Kaip šaltas darbas veikia nikelio tankį?
Šaltas darbas (Pvz., riedėjimas, kalimas) increases nickel’s density slightly (~0.1–0.2%) by reducing lattice defects (dislokacijos) and compressing voids.
Pavyzdžiui, cold-rolled nickel has a density of ~8.92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ for annealed nickel.
Yra nikelio tankis didesnis už kitus įprastus metalus?
Taip. Nickel is denser than aluminum (2.70 g/cm³), lygintuvas (7.87 g/cm³), ir titanas (4.51 g/cm³) but less dense than copper (8.96 g/cm³), Žalvaris (8.4–8.7 g/cm³), and tungsten (19.3 g/cm³).
Ar galima naudoti tankį, norint atskirti nikelį nuo padirbtų metalų?
Taip. Pavyzdžiui, nickel-plated steel (density ~7.9 g/cm³) has a lower density than pure nickel (8.908 g/cm³), making Archimedes’ principle a simple way to detect counterfeits (Pvz., fake nickel coins).
Koks yra nikelio tankis erdvėje (vakuumas, kraštutinė temperatūra)?
Vakuume, density is unaffected (only temperature and pressure matter). At cryogenic temperatures (-200° C.), nickel’s density increases to ~8.95 g/cm³ (due to lattice contraction).
In microgravity, density measurement via Archimedes’ principle is impossible, so XRD is used instead.
