1. Введение
Никель - это критический металл, широко используемый в промышленных, аэрокосмическая, энергия, и химические применения из -за его коррозионной стойкости, механическая прочность, и тепловая стабильность.
Понимание его плотности имеет основополагающее значение для инженеров и материальных ученых, потому что оно влияет на расчеты веса, Дизайн компонента, тепловое поведение, И общая производительность материала.
Эталонная плотность чистого никеля при комнатной температуре (20 ° C.) примерно 8.908 G/CM³ (или 8,908 кг/м³).
Эта внутренняя собственность лежит в основе приложений Nickel в высокопроизводительных сплавах, структурные компоненты, и специализированные покрытия.
2. Какова плотность никеля
Плотность определяется как масса на единицу объема (P = M/V.). Для никеля, Его плотность возникает из атомной массы (58.6934 u) и его сосредоточенное на лице кубики (FCC) кристаллическая структура, который эффективно упаковывает атомы.
При стандартной температуре и давлении, Никель демонстрирует стабильную решетку FCC с постоянной решеткой 0.352 н.м., создавая характерную плотность 8.908 G/CM³.
3. Факторы, влияющие на плотность никеля
Плотность никеля (~ 8,908 г/см сегодня 20 ° C для металла с сверхвысокой трубкой) не фиксированная постоянная; это зависит от чистота, легирование, температура, и давление.
Чистота: Основной драйвер изменчивости плотности
Эталонная плотность 8.908 G/CM³ применяется исключительно к Ультра-высокая точка никель (≥99,99%), такие как электролитический никель, используемый в электронике и точных инструментах.
В промышленной практике, Никель редко достигает этой чистоты.
Примеси, будь то преднамеренный (легирующие элементы) или случайно (остаточные руды, обработка загрязняющих веществ), Вытесните атомы никеля в кристаллической решетке, изменение плотности на основе их атомной массы и концентрации.
Общие примеси и их последствия (Данные из руководства ASM, Объем 2):
| Нечистота | Плотность (G/CM³) | Типичная концентрация в коммерческом никеле | Полученная плотность никеля (G/CM³) | Изменение плотности против. Чистый никель |
| Железо (Фей) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0,01 до -0,06 |
| Медь (Кузок) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 к +0.02 |
| Углерод (В, графит) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 до -0,008 |
| Сера (С) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 до -0,003 |
| Кислород (О, газ) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Незначительный |
Легирование: Плотность пошива для производительности
Никель образует сплавы с такими элементами медь (Кузок), хром (Герметичный), молибден (МО), вольфрам (W.), и железо (Фей), производство материалов с плотностью, которые существенно отличаются от чистого никеля.
Выбранные сплавы и плотность:
| Сплав | Композиция | Плотность (G/CM³) | Разница против. В | Основное приложение |
| Монель 400 | 65% В, 34% Кузок, 1% Фей | 8.80 | −0.108 | Морская коррозионная стойкость |
| Insonel 625 | 59% В, 21.5% Герметичный, 9% МО, 5% Фей | 8.44 | −0.468 | Высокотемпературная сопротивление ползучести |
| Hastelloy x | 47% В, 22% Герметичный, 18.5% Фей, 9% МО | 8.30 | −0,608 | Камеры сжигания газовых турбин |
| Никель (30% W.) | 70% В, 30% W. | 10.0 | +1.092 | Радиационное экранирование, износостойкость |
| Инвар 36 | 64% Фей, 36% В | 8.05 | −0,858 | Инструменты низкого теплового расширения |
Температура: Тепловое расширение и снижение плотности
Никель расширяется с теплом, уменьшение его плотности.
А линейный коэффициент термического расширения (CTE) для никеля ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; а приблизительный объемный CTE ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Используя эти значения, Плотность никеля уменьшается с температурой:
- При 100 ° C.: Плотность ≈ 8.908 G/CM³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 G/CM³
- При 500 ° C.: Плотность ≈ 8.908 G/CM³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 G/CM³
- При 1455 ° C. (точка плавления, Жидкий никель): Плотность ≈ 8.70 G/CM³ (Жидкие металлы менее плотные, чем твердые вещества из -за увеличения атомного расстройства)
Эта плотность, зависящая от температуры, имеет решающее значение для:
- Высокотемпературное кастинг: Формы должны учитывать изменения плотности во время затвердевания, чтобы избежать усадки дефектов.
- Аэрокосмические компоненты: Никелевые суперсплавы в реактивных двигателях (Работа при 1000–1200 ° C.) испытывать снижение плотности, которое влияет на теплопроводность и структурную стабильность.
Давление: Увеличение сжатия и плотности
Массовый модуль никеля (~ 170 ГПа) измеряет сопротивление сжатию. Высокое давление немного увеличивает плотность:
- В 1 Средний балл (≈10 000 атм, Типично для глубоководных средств): Плотность увеличивается на 0,5% (≈8,95 г/см=).
- В 10 Средний балл (крайнее давление, НАПРИМЕР., планетарные ядра): Плотность возрастает до ~ 9,3 г/см³.
Глубоководное оборудование: Никелированные компоненты в погружениях должны противостоять изменению плотности, вызванных давлением, без структурного отказа.
Металлообработка высокого давления: Процессы, такие как горячие изостатические прессы (БЕДРО) Используйте давление для уплотнения никелевых сплавов, снижение пористости и увеличение конечной плотности.
4. Измерение плотности
Архимед' Принцип и гидростатическое взвешивание
Образцы никеля погружены в жидкость, и плотность рассчитывается по плавуческим силам. Этот метод прост и надежен для объемных компонентов.
Рентгеновская дифракция (Рентгеновский)
XRD вычисляет плотность из параметра решетки кристаллической структуры никеля (измерено с помощью рентгеновского рассеяния). Этот метод есть:
- Неразрушающий: Идеально подходит для ценных или деликатных образцов (НАПРИМЕР., аэрокосмические компоненты).
- Очень точный: ± 0,0001 г/смЧ нетерпением для чистого никеля, поскольку он непосредственно измеряет атомную упаковку, а не массовые свойства.
- Ограничения: Требуется хорошо кристаллизованный образец (Не подходит для порошков или аморфного никеля).
Пикнометрия (для порошков)
Для никелевых порошков (используется в аддитивном производстве или покрытиях), Газовая пикнометрия (ASTM D6226) измеряет истинную плотность путем вытеснения газа (НАПРИМЕР., гелий) в запечатанной камере.
Это избегает ошибок из пустот в порошковых слоях, Получение плотности в пределах ± 0,002 г/смЧ нетерпением от теоретического значения.
Изменчивость измерения
Сообщается о плотности может немного различаться из -за примесей, пористость, Метод измерения, и температура, Обычно в пределах ± 0,01–0,02 г/см сегодня для высококачественного никеля.
5. Промышленная значимость плотности никеля
Плотность никеля - это не просто теоретическое свойство - он напрямую влияет на то, как металл и его сплавы спроектирован, обработан, и применяется в разных отраслях.
От аэрокосмических турбин до химических заводов и аддитивного производства, Плотность играет ключевую роль в производительности материалов и инженерной эффективности.
Аэрокосмическая и авиация: Баланс веса и силы
Самолеты и космические спрос на материалы с Высокие отношения к весу.
В то время как чистый никель относительно плотный (8.908 G/CM³), на основе никелевых на основе таких суперсплавов, как Insonel 625 (8.44 G/CM³) или Hastelloy x (8.30 G/CM³) обеспечить компромисс:
- Более низкая плотность Уменьшает общий двигатель или структурный вес, Экономия топлива и расширяющегося диапазона.
- Высокотемпературная стабильность обеспечивает сопротивление ползучести и усталости при >1000 ° C..
Пример: А 1% Снижение массы турбинного диска за счет оптимизации плотности сплава может сэкономить сотни килограммов реактивного топлива ежегодно на самолет.
Автомобильная и тяжелая техника: Долговечность и эффективность
Плотность никеля также актуальна для наземного транспорта:
- Электромобили (Электромобили): Богатые никель катодные материалы (НАПРИМЕР., NMC, Няня) влиять на плотность энергии батареи, где экономия веса улучшает диапазон вождения.
- Тяжелое оборудование: Никелевые стали и никель-сплавы (Плотность ~ 7,8–8,8 г/см=) обеспечить прочность и устойчивость к износу в строительном оборудовании и горнодобывающем оборудовании.
Химическая и нефтехимическая обработка: Коррозионная стойкость с эффективностью массы
В химических растениях и нефтеперерабатывающих заводах, Никелевые сплавы должны сопротивляться коррозионные кислоты, щелочи, и газы высокого давления:
- Монель 400 (8.80 G/CM³): Выбран для морских трубопроводов и обработки морских вод из -за превосходной коррозионной устойчивости.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 г/см=): Используется в реакторах с кислотной обработкой, где плотность сбалансирована с коррозионной стойкостью и механической целостностью.
Плотность влияет не только механическая прочность но и теплопроводность и эффективность теплопередачи, Оба критических в химических реакторах.
Кастинг, Ковкость, и аддитивное производство: Контроль затвердевания
Поведение плотности никеля при термической обработке напрямую влияет на результаты производства:
- Кастинг: Снижение плотности при плавлении (8.908 → ~ 8,70 г/см=) Должен быть учтент, чтобы предотвратить пористость усадки в пресс -формах.
- Кова и бедра (Горячая изостатическая нажатия): Приложенное давление уплотняет никелевые сплавы, закрытие пустот и увеличение механической прочности.
- Аддитивное производство (ЯВЛЯЮСЬ): Слияние порошкового слоя и направленное отложение энергии полагается на постоянную плотность порошка для предсказуемой Потока, слой однородность, и плотность окончательной части.
Энергия и ядерное применение: Когда высокая плотность - это выгода
В некоторых отраслях, Более высокая плотность выгодна:
- Никель-вгустские сплавы (~ 10,0 г/см=): Обеспечить радиационное экранирование в ядерных реакторах и медицинской визуализации.
- Аноды на основе никеля и катоды: Плотность влияет на эффективность тока и термическую стабильность в топливных элементах и электролизерах.
6. Быстрая эталонная таблица: Чистый никель и общие сплавы
| Материал / Сплав | Композиция (Основные элементы) | Плотность (g/cm³ @ 20 ° C.) | Точка плавления (° C.) | Ключевые приложения |
| Чистый никель (99.99%) | ≥99,99% в | 8.908 | 1455 | Электроника, термопары, гальванизация |
| Коммерческий никель (Оценка 200) | ≥99,0% в + Fe примеси | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Химическое оборудование, Морское оборудование |
| Монель 400 | ~ 65% имеют, 34% Кузок, 1% Фей | 8.80 | 1350–1400 | Морская инженерия, насос, теплообменники |
| Insonel 600 | ~ 72% имеют, 14–17% кр, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Химическая обработка, Компоненты печи, Ядерные реакторы |
| Insonel 625 | ~ 59% имеют, 21.5% Герметичный, 9% МО, 5% Фей | 8.44 | 1290–1350 | Аэрокосмические турбины, Ядерные реакторы, химические растения |
| Васпалог | ~ 58% имеют, 19% Герметичный, 13% Сопутствующий, 4% МО, Из, Ал | 8.19 | 1320–1380 | Реактивные турбинные диски, аэрокосмические крепежи |
Нимоник 80а |
~ 76% имеют, 20% Герметичный, Из, Ал | 8.19 | 1320–1385 | Газовые турбины, выхлопные клапаны, Высокотемпературные пружины |
| Hastelloy x | ~ 47% имеют, 22% Герметичный, 18.5% Фей, 9% МО | 8.30 | 1260–1355 | Камеры сжигания газовых турбин, Высокотемпературные воздуховоды |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% имеют, 22% Герметичный, 13% МО, 3% W., Фей | 8.69 | 1350–1400 | Химические реакторы, скруббер, Контроль загрязнения |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% имеют, 16% МО, 15% Герметичный, 5% Фей, W. | 8.89 | 1325–1370 | Скрубберы дымохода, химическая обработка, Контроль загрязнения |
| Непревзойденное 825 | ~ 42% имеют, 21.5% Герметичный, 30–35% Fe, 3% МО | 8.14 | 1385–1400 | Кислотоустойчивый трубопровод, морские выхлопные системы |
| Никель - (30% W.) | ~ 70% в, 30% W. | 10.0 | ~ 1455–1500 | Радиационное экранирование, износостойкие детали |
| Инвар 36 | ~ 64% Fe, 36% В | 8.05 | 1430–1440 | Точные инструменты, Применение низкого теплового расширения |
7. Заключение
Плотность никеля является фундаментальной физической собственностью, влияющей на дизайн, Производство, и производительность в высокотехнологичной промышленности.
Такие факторы, как чистота, легирование, температура, и давление создает незначительные вариации, Но понимание этих нюансов имеет решающее значение для инженеров и материальных ученых.
Комбинация никеля высокой плотности, механическая прочность, и термическая устойчивость делает его незаменимым на Aerospace, химический, энергия, и секторы электроники.
Часто задаваемые вопросы
Форма никеля (твердый против. пудра) влиять на его плотность?
Да. «Истинная плотность» (плотность самого никеля) то же самое для твердых и порошков (~ 8,908 г/смЧать для чистого никеля), но «объемная плотность» (Масса/объем порошковой кровати) ниже (4–5 г/см=) из -за пустот между частицами.
Газовая пикнометрия измеряет истинную плотность, В то время как плотность кран измеряет массовую плотность.
Как холодная работа влияет на плотность никеля?
Холодный работа (НАПРИМЕР., прокатывание, ковкость) немного увеличивает плотность никеля (~ 0,1–0,2%) уменьшая дефекты решетки (дислокации) и сжатие пустот.
Например, Никель с холодным, имеет плотность ~ 8,92 г/смЧдесь, против. 8.908 G/CM³ для отожженного никеля.
Плотность никеля выше, чем у других общих металлов?
Да. Никель плотнее алюминия (2.70 G/CM³), железо (7.87 G/CM³), и титан (4.51 G/CM³) но менее плотный, чем медь (8.96 G/CM³), латунь (8.4–8,7 г/см=), и вольфрам (19.3 G/CM³).
Можно ли использовать плотность для отличия никеля от поддельных металлов?
Да. Например, никелированная сталь (Плотность ~ 7,9 г/см=) имеет более низкую плотность, чем чистый никель (8.908 G/CM³), Сделать принцип Архимеда простым способом обнаружения подделок (НАПРИМЕР., Поддельные никелевые монеты).
Какова плотность никеля в космосе (вакуум, экстремальная температура)?
В вакууме, Плотность не затронута (Только температура и давление). При криогенных температурах (-200° C.), Плотность никеля увеличивается до ~ 8,95 г/см сегодня (Из -за сокращения решетки).
В микрогравитации, Измерение плотности с помощью принципа Архимеда невозможно, Таким образом, рентгенов используется вместо этого.
