1. Introduksjon
Nikkel er et kritisk metall som er mye brukt i industrien, luftfart, energi, og kjemiske anvendelser på grunn av dens korrosjonsmotstand, Mekanisk styrke, og termisk stabilitet.
Å forstå dens tetthet er grunnleggende for ingeniører og materielle forskere fordi det påvirker vektberegninger, komponentdesign, termisk oppførsel, og generell materialytelse.
Referansetettheten til rent nikkel ved romtemperatur (20 ° C.) er omtrent 8.908 g/cm³ (eller 8,908 kg/m³).
Denne iboende egenskapen understøtter Nickels applikasjoner i høyytelseslegeringer, strukturelle komponenter, og spesialiserte belegg.
2. Hva er tettheten av nikkel
Tetthet er definert som masse per volum enhet (p = m/v). For nikkel, dens tetthet oppstår fra atommassen (58.6934 u) og den ansiktssentrerte kubikk (FCC) Krystallstruktur, som pakker atomer effektivt.
Ved standard temperatur og trykk, Nikkel viser et stabilt FCC -gitter med en gitterkonstant av 0.352 nm, produsere dens karakteristiske tetthet av 8.908 g/cm³.
3. Faktorer som påvirker nikkeletthet
Nickels tetthet (~ 8,908 g/cm³ kl 20 ° C for ultrahøyt renhet metall) er ikke en fast konstant; det varierer med renhet, legering, temperatur, og press.
Renhet: Den primære driveren for tetthetsvariabilitet
Referansetettheten til 8.908 g/cm³ gjelder utelukkende å Ultra-høy-renhet nikkel (≥99,99%), slik som elektrolytisk nikkel brukt i elektronikk og presisjonsinstrumenter.
I industriell praksis, Nikkel når sjelden denne renheten.
Urenheter, enten det er forsettlig (legeringselementer) eller tilfeldig (Restmalm, Behandling av forurensninger), fortrenge nikkelatomer i krystallgitteret, Endring av tetthet basert på deres atommasse og konsentrasjon.
Vanlige urenheter og deres effekter (Data fra ASM -håndbok, Volum 2):
| Urenhet | Tetthet (g/cm³) | Typisk konsentrasjon i kommersielt nikkel | Resulterende nikkeletthet (g/cm³) | Tetthetsendring vs. Ren nikkel |
| Stryke (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8,90 | −0.01 til −0.06 |
| Kopper (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 til +0.02 |
| Karbon (C, grafitt) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0.001 til −0.008 |
| Svovel (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0.001 til −0.003 |
| Oksygen (O, gass) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Ubetydelig |
Legering: Skreddersy tetthet for ytelse
Nikkel danner legeringer med elementer som som kopper (Cu), krom (Cr), Molybden (Mo), wolfram (W), og jern (Fe), Produserende materialer med tettheter som skiller seg vesentlig fra rent nikkel.
Utvalgte legeringer og tettheter:
| Legering | Sammensetning | Tetthet (g/cm³) | Forskjell vs.. I | Primær søknad |
| Monel 400 | 65% I, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Marine korrosjonsbestandighet |
| Inconel 625 | 59% I, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Krypmotstand med høy temperatur |
| Hastelloy x | 47% I, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0.608 | Gassturbinforbrenningskamre |
| Nikkel (30% W) | 70% I, 30% W | 10.0 | +1.092 | Strålingsskjerming, Bruk motstand |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% I | 8.05 | −0.858 | Lav termiske ekspansjonsverktøy |
Temperatur: Termisk ekspansjon og reduksjon av tetthet
Nikkel utvides med varme, redusere tettheten.
De Lineær termisk ekspansjonskoeffisient (CTE) for nikkel er ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; de Omtrentlig volumetrisk CTE er ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Bruke disse verdiene, Nikkelens tetthet avtar med temperaturen:
- Ved 100 ° C.: Tetthet ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Ved 500 ° C.: Tetthet ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Ved 1455 ° C. (smeltepunkt, flytende nikkel): Tetthet ≈ 8.70 g/cm³ (Flytende metaller er mindre tette enn faste stoffer på grunn av økt atomlidelse)
Denne temperaturavhengige tettheten er kritisk for:
- Støpte høye temperaturer: Former må redegjøre for tetthetsendringer under størkning for å unngå krympefekter.
- Luftfartskomponenter: Nikkel superlegeringer i jetmotorer (opererer ved 1000–1200 ° C.) Opplev tetthetsreduksjon som påvirker termisk ledningsevne og strukturell stabilitet.
Trykk: Kompresjon og tetthetsøkning
Nickels bulkmodul (~ 170 GPa) Måler motstand mot komprimering. Høyt trykk øker tettheten litt:
- På 1 GPA (≈10 000 atm, Typisk for dyphavsmiljøer): Tettheten øker med ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- På 10 GPA (ekstremt trykk, F.eks., planetariske kjerner): Tettheten stiger til ~ 9,3 g/cm³.
Deep Sea-utstyr: Nikkelbelagte komponenter i nedsenkbare må tåle trykkinduserte tetthetsendringer uten strukturell svikt.
Metallbearbeiding med høyt trykk: Prosesser som varm isostatisk pressing (HOFTE) Bruk trykk for å fortette nikkellegeringer, redusere porøsitet og øke endelig tetthet.
4. Tetthetsmåling
Archimedes ' Prinsipp og hydrostatisk veiing
Nikkelprøver er nedsenket i en væske, og tetthet beregnes fra flytende krefter. Denne metoden er enkel og pålitelig for bulkkomponenter.
Røntgendiffraksjon (Xrd)
XRD beregner tetthet fra gitterparameteren til Nickels krystallstruktur (målt via røntgenspredning). Denne metoden er:
- Ikke-destruktiv: Ideell for verdifulle eller delikate prøver (F.eks., Luftfartskomponenter).
- Svært presis: ± 0,0001 g/cm³ for ren nikkel, Ettersom den direkte måler atompakning i stedet for bulkegenskaper.
- Begrensninger: Krever en godt krystallisert prøve (ikke egnet for pulver eller amorf nikkel).
Pycnometry (for pulver)
For nikkelpulver (brukt i additiv produksjon eller belegg), Gasspyknometri (ASTM D6226) måler ekte tetthet ved å fortrenge en gass (F.eks., helium) i et forseglet kammer.
Dette unngår feil fra tomrom i pulversenger, gir tettheter innen ± 0,002 g/cm³ av den teoretiske verdien.
Målevariabilitet
Rapporterte tettheter kan variere litt på grunn av urenheter, porøsitet, Målemetode, og temperatur, Vanligvis innen ± 0,01–0,02 g/cm³ for nikkel av høy kvalitet.
5. Industriell relevans av nikkeletthet
Tettheten av nikkel er ikke bare en teoretisk egenskap - den påvirker direkte hvordan metallet og dets legeringer er designet, behandlet, og brukt på tvers av bransjer.
Fra luftfartsturbiner til kjemiske anlegg og additiv produksjon, Tetthet spiller en sentral rolle i materiell ytelse og teknisk effektivitet.
Luftfart og luftfart: Balanserende vekt og styrke
Fly og romfartøy etterspørselsmaterialer med høye styrke-til-vekt-forhold.
Mens rent nikkel er relativt tett (8.908 g/cm³), nikkelbaserte superlegeringer som Inconel 625 (8.44 g/cm³) eller Hastelloy x (8.30 g/cm³) gi et kompromiss:
- Lavere tetthet reduserer total motor eller strukturell vekt, sparer drivstoff og utvidelsesområde.
- Stabilitet med høy temperatur sikrer motstand mot kryp og tretthet ved >1000 ° C..
Eksempel: EN 1% Reduksjon i turbin diskmasse gjennom optimalisering av legeringstetthet kan spare Hundrevis av kilo jetbrensel årlig per fly.
Bil- og tunge maskiner: Holdbarhet og effektivitet
Nikkeltetthet er også relevant for bakketransport:
- Elektriske kjøretøyer (EVS): Nikkelrike katodematerialer (F.eks., NMC, NCA) påvirke batterienergitettheten, Hvor vektbesparelser forbedrer kjøreområdet.
- Tungt utstyr: Nikkelstål og nikkel-kobberlegeringer (Tettheter ~ 7,8–8,8 g/cm³) Gi seighet og slitasje motstand i konstruksjonsmaskiner og gruveutstyr.
Kjemisk og petrokjemisk prosessering: Korrosjonsmotstand med masseeffektivitet
I kjemiske planter og raffinerier, Nikkellegeringer må motstå etsende syrer, Alkalis, og høytrykksgasser:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Valgt for marine rørledninger og sjøvannshåndtering på grunn av utmerket korrosjonsmotstand.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 g/cm³): Brukt i syrebehandlingsreaktorer, Hvor tetthet er balansert mot korrosjonsmotstand og mekanisk integritet.
Tetthet påvirker ikke bare Mekanisk styrke Men også Termisk konduktivitet og Varmeoverføringseffektivitet, begge kritiske i kjemiske reaktorer.
Støping, Smi, og tilsetningsstoffproduksjon: Kontrollerende størkning
Nickels tetthetsatferd under termisk prosessering påvirker direkte produksjonsresultater:
- Støping: Tetthetsreduksjon ved smelting (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) må regnskapsføres for å forhindre svinn porøsitet i muggsopp.
- Smiing og hofte (Hot isostatisk pressing): Anvendt trykk tetthet nikkellegeringer, Lukking av tomrom og øke mekanisk styrke.
- Tilsetningsstoffproduksjon (ER): Pulverbed fusjon og rettet energiavsetning er avhengige av jevn pulvertetthet for forutsigbar Flytbarhet, lag ensartethet, og den siste deletettheten.
Energi og kjernefysiske applikasjoner: Når høy tetthet er en fordel
I noen bransjer, høyere tetthet er fordelaktig:
- Nikkel-tungsten-legeringer (~ 10,0 g/cm³): Gi strålingsskjerming i kjernefysiske reaktorer og medisinsk avbildning.
- Nikkelbaserte anoder og katoder: Tetthet påvirker gjeldende effektivitet og termisk stabilitet i brenselceller og elektrolysere.
6. Rask referansetabell: Ren nikkel og vanlige legeringer
| Materiale / Legering | Sammensetning (Hovedelementer) | Tetthet (g/cm³ @ 20 ° C.) | Smeltepunkt (° C.) | Viktige applikasjoner |
| Ren nikkel (99.99%) | ≥99,99% kl | 8.908 | 1455 | Elektronikk, termoelementer, elektroplatering |
| Kommersiell nikkel (Karakter 200) | ≥99,0% kl + Fe urenheter | 8.85–8,90 | 1445–1455 | Kjemisk prosessutstyr, Marin maskinvare |
| Monel 400 | ~ 65% har, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Marine Engineering, Pumper, Varmevekslere |
| Inconel 600 | ~ 72% har, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Kjemisk prosessering, ovnkomponenter, atomreaktorer |
| Inconel 625 | ~ 59% har, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Luftfartsturbiner, atomreaktorer, Kjemiske planter |
| Waspaloy | ~ 58% har, 19% Cr, 13% Co, 4% Mo, Av, Al | 8.19 | 1320–1380 | Jet -motor -turbin disker, Luftfaglige festemidler |
Nimonic 80a |
~ 76% har, 20% Cr, Av, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gassturbiner, eksosventiler, Høytemperaturfjærer |
| Hastelloy x | ~ 47% har, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Gassturbinforbrenningskamre, Kanaler med høy temperatur |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% har, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Kjemiske reaktorer, skrubbere, Forurensningskontroll |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% har, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Røykgassskrubbere, Kjemisk prosessering, Forurensningskontroll |
| Incoloy 825 | ~ 42% har, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Syrebestandig rør, Marine eksosanlegg |
| Nikkel - (30% W) | ~ 70% i, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Strålingsskjerming, Slitasje-resistente deler |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% I | 8.05 | 1430–1440 | Presisjonsinstrumenter, Lav termiske ekspansjonsapplikasjoner |
7. Konklusjon
Nickels tetthet er en grunnleggende fysisk eiendom som påvirker design, Produksjon, og ytelse i høyteknologiske næringer.
Faktorer som renhet, legering, temperatur, og trykk skaper mindre variasjoner, Men å forstå disse nyansene er avgjørende for ingeniører og materielle forskere.
Nikkels kombinasjon av høy tetthet, Mekanisk styrke, og termisk motstandskraft gjør det uunnværlig på tvers av romfart, kjemisk, energi, og elektronikksektorer.
Vanlige spørsmål
Gjør formen av nikkel (solid vs. pulver) påvirke dens tetthet?
Ja. “Ekte tetthet” (tetthet av selve nikkel) er det samme for faste stoffer og pulver (~ 8,908 g/cm³ for ren nikkel), Men "bulk tetthet" (Masse/volum av pulversengen) er lavere (4–5 g/cm³) På grunn av hulrom mellom partikler.
Gasspyknometri måler ekte tetthet, Mens TAP -tetthet måler bulkdensitet.
Hvordan påvirker kaldt arbeid nikkelens tetthet?
Kaldt arbeid (F.eks., Rullende, smi) øker nikkelens tetthet litt (~ 0,1–0,2%) ved å redusere gitterfeil (dislokasjoner) og komprimerende tomrom.
For eksempel, Kaldvalset nikkel har en tetthet på ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ for glødet nikkel.
Er nikkelens tetthet høyere enn andre vanlige metaller?
Ja. Nikkel er tettere enn aluminium (2.70 g/cm³), stryke (7.87 g/cm³), og titan (4.51 g/cm³) men mindre tett enn kobber (8.96 g/cm³), messing (8.4–8,7 g/cm³), og wolfram (19.3 g/cm³).
Kan tetthet brukes til å skille nikkel fra forfalskede metaller?
Ja. For eksempel, Nikkelbelagt stål (Tetthet ~ 7,9 g/cm³) har lavere tetthet enn rent nikkel (8.908 g/cm³), Gjør Archimedes prinsipp til en enkel måte å oppdage forfalskninger (F.eks., Falske nikkelmynter).
Hva er tettheten av nikkel i rommet (vakuum, ekstrem temperatur)?
I et vakuum, Tetthet påvirkes upåvirket (Bare temperatur og trykkstoff). Ved kryogene temperaturer (-200° C.), Nickels tetthet øker til ~ 8,95 g/cm³ (På grunn av gitterkontraksjon).
I mikrogravitet, Tetthetsmåling via Archimedes 'prinsipp er umulig, Så XRD brukes i stedet.
