1. Ievads
Niķelis ir kritisks metāls, ko plaši izmanto rūpniecībā, avi kosmosa, enerģija, un ķīmiskie pielietojumi, kas saistīti ar tā izturību pret koroziju, mehāniskā izturība, un termiskā stabilitāte.
Izpratne par tā blīvumu ir būtiska inženieriem un materiālajiem zinātniekiem, jo tas ietekmē svara aprēķinus, komponentu dizains, termiskā uzvedība, un vispārējā materiāla veiktspēja.
Tīra niķeļa atsauces blīvums istabas temperatūrā (20 ° C) ir aptuveni 8.908 G/cm³ (vai 8,908 kg/m³).
Šis iekšējais īpašums ir niķeļa pielietojums augstas veiktspējas sakausējumos, strukturālās sastāvdaļas, un specializēti pārklājumi.
2. Kāds ir niķeļa blīvums
Blīvums tiek definēts kā masa uz tilpuma vienību (p = m/v). Niķelim, tā blīvums rodas no atomu masas (58.6934 u) un tā uz seju vērstais kubikiskais (FCC) kristāla struktūra, kas efektīvi iesaiņo atomus.
Standarta temperatūrā un spiedienā, niķelim ir stabils FCC režģis ar režģa konstanti 0.352 nm, rada tā raksturīgo blīvumu 8.908 G/cm³.
3. Faktori, kas ietekmē niķeļa blīvumu
Niķeļa blīvums (~ 8,908 g/cm³ pie 20 ° C par ultra-augstas tīrības metālu) nav fiksēta konstante; tas mainās ar tīrība, lītošs, temperatūra, un spiediens.
Tīrība: Galvenais blīvuma mainības virzītājspēks
Atsauces blīvums 8.908 G/cm³ attiecas tikai uz Ultra-augstas tīrības niķelis (≥99,99%), piemēram, elektrolītiskais niķelis, ko izmanto elektronikā un precizitātes instrumentos.
Rūpniecības praksē, niķelis reti sasniedz šo tīrību.
Piemaisījumi, vai tīšs (leģējošie elementi) vai nejaušs (Atlikušās rūdas, Piesārņotāju apstrāde), Niķeļa atomi izspiež kristāla režģī, Mainīt blīvumu, pamatojoties uz to atomu masu un koncentrāciju.
Kopīgi piemaisījumi un to ietekme (dati no ASM rokasgrāmatas, Tilpums 2):
| Piemaisījums | Blīvums (G/cm³) | Tipiska koncentrācija komerciālā niķelī | Iegūtais niķeļa blīvums (G/cm³) | Blīvuma maiņa pret. Tīrs niķelis |
| Dzelzs (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8,90 | −0,01 līdz −0,06 |
| Varš (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 līdz +0.02 |
| Ogleklis (C, grafīts) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8,91 | –0,001 līdz –0,008 |
| Sērs (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0.001 to −0.003 |
| Skābeklis (Katrs, gāze) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | Nenozīmīgs |
Lītošs: Pielāgošanas blīvums sniegumam
Nickel forms alloys with elements such as vara (Cu), hroms (Krekls), molibdēns (Noplūde), volframs (W), un dzelzs (Fe), producing materials with densities that differ substantially from pure nickel.
Atlasīti sakausējumi un blīvums:
| Sakausējums | Sastāvs | Blīvums (G/cm³) | Difference vs. Iekšā | Primary Application |
| Monel 400 | 65% Iekšā, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Marine corrosion resistance |
| Neiebilstība 625 | 59% Iekšā, 21.5% Krekls, 9% Noplūde, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | High-temperature creep resistance |
| Hastelloy x | 47% Iekšā, 22% Krekls, 18.5% Fe, 9% Noplūde | 8.30 | −0.608 | Gas turbine combustion chambers |
| Nickel-Tungsten (30% W) | 70% Iekšā, 30% W | 10.0 | +1.092 | Radiation shielding, nodilums pretestība |
| Mītne 36 | 64% Fe, 36% Iekšā | 8.05 | −0.858 | Low thermal expansion tools |
Temperatūra: Termiskā izplešanās un blīvuma samazināšana
Nickel expands with heat, reducing its density.
Līdz linear coefficient of thermal expansion (Cte) for nickel is ~13.4 × 10⁻⁶/°C; līdz approximate volumetric CTE is ~40.2 × 10⁻⁶/°C. Using these values, nickel’s density decreases with temperature:
- At 100°C: Density ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/°C × 80°C)) ≈ 8.88 G/cm³
- At 500°C: Density ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/°C × 480°C)) ≈ 8.73 G/cm³
- At 1455°C (kušanas punkts, šķidrs niķelis): Density ≈ 8.70 G/cm³ (Šķidrie metāli ir mazāk blīvi nekā cietās vielas, jo palielinās atomu traucējumi)
Šis no temperatūras atkarīgais blīvums ir kritisks:
- Augstas temperatūras liešana: Veidnēm ir jāņem vērā blīvuma izmaiņas sacietēšanas laikā, lai izvairītos no saraušanās defektiem.
- Aviācijas un kosmosa komponenti: Niķeļa superaloys reaktīvo dzinēju (darbojas 1000–1200 ° C) pieredzes blīvuma samazinājumi, kas ietekmē siltumvadītspēju un strukturālo stabilitāti.
Spiediens: Kompresijas un blīvuma palielināšanās
Niķeļa lielapjoma modulis (~ 170 GPA) mēra izturību pret saspiešanu. Augsts spiediens nedaudz palielina blīvumu:
- Pie 1 GPA (≈10 000 atm, Tipisks dziļas vides vidē): Blīvums palielinās par ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- Pie 10 GPA (ārkārtējs spiediens, Piem., Planētas serdeņi): Blīvums palielinās līdz ~ 9,3 g/cm³.
Dziļūdens aprīkojums: Niķeļa pārklājuma komponentiem zemūdens daļās ir jāiztur spiediena izraisītas blīvuma izmaiņas bez strukturālas kļūmes.
Augsta spiediena metālapstrāde: Procesi, piemēram, karstā izostatiskā presēšana (Gurns) Izmantojiet spiedienu, lai blīvētu niķeļa sakausējumus, samazinot porainību un palielinot galīgo blīvumu.
4. Blīvuma mērīšana
Arhimēda Princips un hidrostatiskā svēršana
Niķeļa paraugi ir iegremdēti šķidrumā, un blīvumu aprēķina no peldošajiem spēkiem. Šī metode ir vienkārša un uzticama lielapjoma komponentiem.
Rentgena difrakcija (Xrd)
XRD aprēķina blīvumu no niķeļa kristāla struktūras režģa parametra (mēra, izmantojot rentgena izkliedi). Šī metode ir:
- Nesagraujošs: Ideāli vērtīgiem vai smalkiem paraugiem (Piem., Aviācijas un kosmosa komponenti).
- Ļoti precīzs: ± 0,0001 g/cm³ tīram niķelim, jo tas tieši mēra atomu iesaiņošanu, nevis lielapjoma īpašības.
- Ierobežojumi: Nepieciešams labi kristalizēts paraugs (nav piemērots pulveriem vai amorfam niķelim).
Piknometrija (pulveriem)
Niķeļa pulveriem (izmanto piedevu ražošanā vai pārklājumos), gāzes piknometrija (ASTM D6226) mēra patieso blīvumu, pārvietojot gāzi (Piem., hēlijs) aizzīmogotā kamerā.
Tas izvairās no kļūdām no tukšumiem pulvera gultnēs, iegūstot blīvumu ± 0,002 g/cm³ no teorētiskās vērtības.
Mērījumu mainīgums
Ziņots blīvums var nedaudz atšķirties piemaisījumu dēļ, porainība, mērīšanas metode, un temperatūra, parasti ± 0,01–0,02 g/cm³ augstas kvalitātes niķeļa gadījumā.
5. Niķeļa blīvuma rūpnieciskā nozīme
Niķeļa blīvums nav tikai teorētisks īpašums - tas tieši ietekmē to, kā ir metāls un tā sakausējumi projektēts, apstrādāts, un tiek lietots visās nozarēs.
No kosmiskās aviācijas turbīnas līdz ķīmiskām rūpnīcām un piedevu ražošanai, Blīvumam ir galvenā loma materiālu veiktspējas un inženierzinātņu efektivitātē.
Aviācijas un aviācija: Svara un spēka līdzsvarošana
Gaisa kuģi un kosmosa kuģi pieprasa materiālus ar Augstas stiprības un svara attiecības.
Kamēr tīrs niķelis ir samērā blīvs (8.908 G/cm³), Niķeļa bāzes superaloys, piemēram, Neiebilstība 625 (8.44 G/cm³) vai Hastelloy x (8.30 G/cm³) nodrošināt kompromisu:
- Zemāks blīvums samazina kopējo motoru vai konstrukcijas svaru, Degvielas ietaupīšana un paplašināšanas diapazons.
- Augstas temperatūras stabilitāte nodrošina pretestību šļūdes un nogurumam >1000 ° C.
Piemērs: Izšķirt 1% Turbīna diska masas samazināšana, izmantojot sakausējuma blīvuma optimizāciju, var ietaupīt Simtiem kilogramu reaktīvo degvielas katru gadu vienā lidmašīnā.
Automobiļu un smago mašīnu: Izturība un efektivitāte
Niķeļa blīvums ir būtisks arī zemes pārvadāšanai:
- Elektriskie transportlīdzekļi (EVS): Niķelē bagāti katoda materiāli (Piem., NMC, NCA) ietekmē akumulatora enerģijas blīvumu, kur svara ietaupījums uzlabo braukšanas diapazonu.
- Smagais aprīkojums: Niķeļa tēraudi un niķeļa-vara sakausējumi (Blīvums ~ 7,8–8,8 g/cm³) Nodrošiniet izturību un nodilumizturību celtniecības mašīnās un kalnrūpniecības aprīkojumā.
Ķīmiskā un naftas ķīmiskā apstrāde: Korozijas izturība ar masas efektivitāti
Ķīmiskajās rūpnīcās un rafinēšanas rūpnīcās, niķeļa sakausējumiem ir jāpretojas kodīgas skābes, sārms, un augsta spiediena gāzes:
- Monel 400 (8.80 G/cm³): Izvēlēts jūras cauruļvadiem un jūras ūdens apstrādei lieliskas izturības dēļ ar koroziju.
- Hastelloy C sērija (~ 8,9 g/cm³): Izmanto skābes apstrādes reaktoros, kur blīvums ir līdzsvarots ar korozijas pretestību un mehānisko integritāti.
Blīvums ietekmē ne tikai mehāniskā izturība bet arī siltumvadītspēja un siltuma pārneses efektivitāte, abi kritiski ķīmiskajos reaktoros.
Liešana, Kalšana, un piedevu ražošana: Kontrolējot sacietēšanu
Niķeļa blīvuma izturēšanās termiskās apstrādes laikā tieši ietekmē ražošanas rezultātus:
- Liešana: Blīvuma samazināšana, kausējot (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) ir jāņem vērā, lai novērstu saraušanās porainība veidnēs.
- Kalšana un gūžas (Karsta izostatiska presēšana): Pielietotais spiediena blīvums niķeļa sakausējumi, tukšumu aizvēršana un mehāniskās izturības palielināšana.
- Piedevu ražošana (Esmu): Pulvera gultas saplūšana un virzīta enerģijas nogulsnēšanās paļaujas uz konsekventu pulvera blīvumu paredzamam Plūstamība, slāņa vienveidība, un pēdējās daļas blīvums.
Enerģijas un kodolieroču pielietojums: Kad augsts blīvums ir ieguvums
Dažās nozarēs, Lielāks blīvums ir izdevīgs:
- Niķeļa-volframa sakausējumi (~ 10,0 g/cm³): Nodrošiniet starojuma ekranēšanu kodolreaktoros un medicīniskajā attēlveidošanā.
- Niķeļa bāzes anodi un katodi: Blīvums ietekmē strāvas efektivitāti un termisko stabilitāti degvielas šūnās un elektrolizeros.
6. Ātra atsauces tabula: Tīrs niķelis un parastie sakausējumi
| Materiāls / Sakausējums | Sastāvs (Galvenie elementi) | Blīvums (g/cm³ @ 20 ° C) | Kušanas temperatūra (° C) | Galvenās lietojumprogrammas |
| Tīrs niķelis (99.99%) | ≥99,99% pie | 8.908 | 1455 | Elektronika, termopāri, galvanizācija |
| Komerciālais niķelis (Pakāpe 200) | ≥99,0% pie + Fe piemaisījumi | 8.85–8,90 | 1445–1455 | Ķīmiskā apstrādes iekārta, jūras aparatūra |
| Monel 400 | ~ 65% ir, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Jūras inženierija, sūkņi, siltummaiņi |
| Neiebilstība 600 | ~ 72% ir, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Ķīmiskā apstrāde, krāsns sastāvdaļas, kodolreaktori |
| Neiebilstība 625 | ~ 59% ir, 21.5% Krekls, 9% Noplūde, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Aviācijas un kosmosa turbīnas, kodolreaktori, ķīmiskie augi |
| Lapsene | ~ 58% ir, 19% Krekls, 13% Līdzdalība, 4% Noplūde, No, Al | 8.19 | 1320–1380 | Reaktīvā motora turbīnu diski, Aviācijas un kosmosa stiprinājumi |
Nimonic 80a |
~ 76% ir, 20% Krekls, No, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gāzes turbīnas, izplūdes vārsti, augstas temperatūras avoti |
| Hastelloy x | ~ 47% ir, 22% Krekls, 18.5% Fe, 9% Noplūde | 8.30 | 1260–1355 | Gas turbine combustion chambers, augstas temperatūras kanāli |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% ir, 22% Krekls, 13% Noplūde, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Ķīmiskie reaktori, berzes, piesārņojuma kontrole |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% ir, 16% Noplūde, 15% Krekls, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Dūmgāzes skrubji, ķīmiskā apstrāde, piesārņojuma kontrole |
| Incoloy 825 | ~ 42% ir, 21.5% Krekls, 30–35% Fe, 3% Noplūde | 8.14 | 1385–1400 | Pret skābi izturīgi cauruļvadi, Jūras izplūdes sistēmas |
| Niķelis - (30% W) | ~ 70% in, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Radiation shielding, Nodiluma izturīgās detaļas |
| Mītne 36 | ~ 64% Fe, 36% Iekšā | 8.05 | 1430–1440 | Precizitātes instrumenti, Zema termiskā izplešanās lietošana |
7. Secinājums
Niķeļa blīvums ir fundamentāls fiziskais īpašums, kas ietekmē dizainu, ražošana, un sniegums augsto tehnoloģiju nozarē.
Faktori, piemēram, tīrība, lītošs, temperatūra, un spiediens rada nelielas variācijas, Bet izpratne par šīm niansēm ir kritiska inženieriem un materiālajiem zinātniekiem.
Niķeļa augsta blīvuma kombinācija, mehāniskā izturība, un termiskā izturība padara to neaizstājamu visā kosmiskajā kosmosā, ķīmisks, enerģija, un elektronikas nozares.
FAQ
Vai niķeļa forma (Ciets vs. pulveris) ietekmē tā blīvumu?
Jā. “Patiess blīvums” (paša niķeļa blīvums) ir vienāds ar cietām vielām un pulveriem (~ 8,908 g/cm³ tīram niķelim), Bet “lielapjoma blīvums” (pulvera gultnes masa/tilpums) ir zemāks (4–5 g/cm³) Sakarā ar tukšumiem starp daļiņām.
Gāzes pycnometry mēra patieso blīvumu, Kamēr krāna blīvums mēra lielapjoma blīvumu.
Kā aukstais darbs ietekmē niķeļa blīvumu?
Aukstā darbība (Piem., ritošs, kalšana) nedaudz palielina niķeļa blīvumu (~ 0,1–0,2%) samazinot režģa defektus (pārvietošanās) un saspiest tukšumus.
Piemēram, Auksti velmēta niķeļa blīvums ir ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ par rūdītu niķeli.
Vai niķeļa blīvums ir augstāks nekā citi kopējie metāli?
Jā. Niķelis ir blīvāks nekā alumīnijs (2.70 G/cm³), dzelzs (7.87 G/cm³), un titāns (4.51 G/cm³) bet mazāk blīvs nekā varš (8.96 G/cm³), misiņš (8.4–8,7 g/cm³), un volframs (19.3 G/cm³).
Vai blīvumu var izmantot, lai atšķirtu niķeli no viltotiem metāliem?
Jā. Piemēram, Niķeļa pārklāts tērauds (blīvums ~ 7,9 g/cm³) ir mazāks blīvums nekā tīram niķelim (8.908 G/cm³), Padarot Archimedes principu par vienkāršu veidu, kā noteikt viltojumus (Piem., Viltus niķeļa monētas).
Kāds ir niķeļa blīvums kosmosā (vakuums, ārkārtēja temperatūra)?
Vakuumā, blīvums netiek ietekmēts (Tikai temperatūras un spiediena viela). Kriogēnā temperatūrā (-200° C), Niķeļa blīvums palielinās līdz ~ 8,95 g/cm³ (Sakarā ar režģa saraušanos).
Mikrogravitācijā, blīvuma mērīšana, izmantojot Archimedes principu, tāpēc tā vietā tiek izmantots XRD.
