1. Увођење
Ницкел је критични метал који се широко користи у индустријским, ваздухопловство, енергија, и хемијске примене због његовог отпора корозије, механичка чврстоћа, и топлотна стабилност.
Разумевање њене густине је основно за инжењере и материјалне научнике јер утиче на прорачуне на тежини, Дизајн компонената, топлотно понашање, и опште перформансе материјала.
Референтна густина чисте никла на собној температури (20 ° Ц) отприлике је 8.908 Г / цм³ (или 8,908 кг / м³).
Ова унутрашња имовина поднела је никалне апликације у легурама високих перформанси, Структурне компоненте, и специјализовани премази.
2. Шта је густина никла
Густина је дефинисано као маса по јединици запремине (П = м / в). За никл, Његова густина произилази из атомске масе (58.6934 у) и кубични у центрирању лица (ФЦЦ) кристална структура, који ефикасно спакује атоме.
На стандардној температури и притиску, Ницкел показује стабилну ФЦЦ решетку са константом решетке 0.352 нм, производња карактеристичне густине 8.908 Г / цм³.
3. Фактори који утичу на густину никла
Никлова густина (~ 8.908 г / цм³ ат 20 ° Ц за метал ултра-чистоће) није фиксна константа; то варира чистоћа, легиран, температура, и притисак.
Чистоћа: Примарни покретач варијабилности густине
Референтна густина 8.908 Г / цм³ се односи искључиво на Никл ултра-чистоће (≥99,99%), као што је електролитски никл који се користи у електроничкој и прецизним инструментима.
У индустријској пракси, Ницкел ретко достиже ову чистоћу.
Нечистоће, било да је намерно (Алегативни елементи) или случајно (заостали руде, Обрада контаминаната), премештају атоме никла у кристалној решеници, Измена густине на основу њихове атомске масе и концентрације.
Уобичајене нечистоће и њихове ефекте (Подаци из АСМ приручника, Запремина 2):
| Нечистоћа | Густина (Г / цм³) | Типична концентрација у комерцијалном никлову | Резултирајући густином никла (Г / цм³) | Промена густине вс. Чисти никл |
| Iron (Фе) | 7.874 | 0.5-1,0% | 8.85-8.90 | -0.01 до -0.06 |
| Бакар (Цу) | 8.96 | 0.1-0,5% | 8.91-8.93 | +0.002 до +0.02 |
| Угљеник (Ц, графит) | 2.267 | 0.01-0,05% | 8.90-8.91 | -0.001 до -0.008 |
| Сумпорни (С) | 2.07 | 0.005-0.01% | 8.905-8.907 | -0.001 до -0.003 |
| Кисеоник (О, гас) | 1.429 | 0.001-0.005% | 8.907-8.908 | Занемарљив |
Легиран: Покретање густине за перформансе
Никла формирају легуре са елементима као што су бакар (Цу), хром (ЦР), молибден (Мо), тунгстен (Ви), и гвожђе (Фе), производња материјала са густином која се значајно разликују из чисте никла.
Одабране легуре и густине:
| Легура | Састав | Густина (Г / цм³) | Разлика вс. У | Примарна апликација |
| Монел 400 | 65% У, 34% Цу, 1% Фе | 8.80 | -0.108 | Отпорност на морску корозију |
| Уносилац 625 | 59% У, 21.5% ЦР, 9% Мо, 5% Фе | 8.44 | -0.468 | Отпорност на високу температуру |
| Хастеллои к | 47% У, 22% ЦР, 18.5% Фе, 9% Мо | 8.30 | -0.608 | Коморе за сагоревање гасних турбина |
| Никл (30% Ви) | 70% У, 30% Ви | 10.0 | +1.092 | Оклоп за зрачење, отпорност на хабање |
| Умазати 36 | 64% Фе, 36% У | 8.05 | -0.858 | Алат за ниску термичке експанзије |
Температура: Термичко ширење и смањење густине
Ницкел се шири са топлотом, Смањење своје густине.
Тхе Линеарни коефицијент топлотне експанзије (Цте) за никл је ~ 13.4 × 10⁻⁶ / ° Ц; тхе Приближни волуметријски ЦТЕ је ~ 40,2 × 10⁻⁶ / ° Ц. Користећи ове вредности, Дестина никла се смањује са температуром:
- На 100 ° Ц: Густина ≈ 8.908 Г / цм³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° Ц × 80 ° Ц)) ≈ 8.88 Г / цм³
- На 500 ° Ц: Густина ≈ 8.908 Г / цм³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶ / ° Ц × 480 ° Ц)) ≈ 8.73 Г / цм³
- На 1455 ° Ц (тачка топљења, течни никл): Густина ≈ 8.70 Г / цм³ (Течни метали су мање густи од чврстих материјала због повећаног атомског поремећаја)
Ова густина зависна температура је критична за:
- Висококусно ливење: Калупи морају да објасне промене густине током очвршћивања како би се избегло оштећења оштећења.
- Аероспаце компоненте: Ницкел Супераллоис у млазним моторима (Радећи на 1000-1200 ° Ц) Доживите смањење густине које утичу на топлотну проводљивост и структурну стабилност.
Притисак: Повећање компресије и густине
Ницкел'с Булк Модул (~ 170 ГПА) мери отпорност на компресију. Велики притисак незнатно повећава густину:
- У 1 ГПА (≈10,000 АТМ, Типично за дубоко море окружења): Густина се повећава за ~ 0,5% (≈8.95 Г / цм³).
- У 10 ГПА (екстремни притисак, Нпр., Планетарна језгра): Густина се диже до ~ 9,3 г / цм³.
Дубоко морска опрема: Никалне компоненте у подморницима морају издржати промене густине изазване притиском без структурног квара.
Опрема метала високог притиска: Процеси попут врућег изостатског пресовања (Кук) Користите притисак да гугујете легуре никла, Смањење порозности и повећања коначне густине.
4. Мерење густине
Архимедес ' Принцип и хидростатичко вагање
Узорци никла су потопљени у течности, и густина се израчунава из буктивних снага. Ова метода је једноставна и поуздана за скупне компоненте.
Рендгенска дифракција (Кврд)
КСРД израчунава густину из параметра решетке никлове кристалне структуре (мерено путем рендгенског раскиња). Ова метода је:
- Неразорнички: Идеално за драгоцене или деликатне узорке (Нпр., Аероспаце компоненте).
- Веома прецизан: ± 0,0001 г / цм³ за чисту никл, Док директно мери атомско паковање, а не расути својства.
- Ограничења: Захтева добро кристализовани узорак (Није погодно за прашке или аморфне никла).
Пиконометрија (за прашке)
За вуче на Ницкел-у (користи се у додатној производњи или премази), гасна пикнометрија (АСТМ Д6226) мери истинску густину померењем гаса (Нпр., хелијум) у затвореној комори.
Ово избегава грешке од празнина у креветима у праху, Давање густина у оквиру ± 0,002 г / цм³ теоријске вредности.
Променљивост мерења
Пријављени густини могу се мало разликовати због нечистоће, порозност, Метода мерења, и температура, обично унутар ± 0,01-0,02 г / цм³ за висококвалитетни никл.
5. Индустријска релевантност густине никла
Густина никла није само теоријска имовина - директно утиче на то како су метал и њене легуре дизајниран, прерађен, и примењено у индустрији.
Из ваздухопловних турбина до хемијских биљака и производње адитива, Густина игра кључну улогу у материјалном перформансу и ефикасности инжењерства.
Ваздухопловство и ваздухопловство: Балансирање тежине и снаге
Авион и свемирска летелица потражње са материјалима са Омјер високе чврстоће на тежину.
Док је чист никл релативно густ (8.908 Г / цм³), супераллоис на бази никла као што су Уносилац 625 (8.44 Г / цм³) или Хастеллои к (8.30 Г / цм³) обезбедити компромис:
- Нижа густина смањује укупни мотор или структурна тежина, Уштеда горива и продужење распона.
- Стабилност високог температуре Осигурава отпорност на пузање и умор у >1000 ° Ц.
Пример: А 1% Смањење масе за турбине диске кроз оптимизацију густине у легу Стотине килограма млазног горива годишње по авиону.
Аутомобилска и тешка машина: Издржљивост и ефикасност
Густина никла је такође релевантна за теренски превоз:
- Електрична возила (ЕВС): Катодни материјали са никлим богатима (Нпр., НМЦ, НЦА) утичу на густину енергије батерије, где уштеда тежине побољшавају распон вожње.
- Тешка опрема: Никалске челике и легуре никла-бакра (ГунСитиес ~ 7.8-8.8 г / цм³) Обезбедити жилавост и отпорност на хабање у грађевинским машинама и рударској опреми.
Хемијска и петрохемијска обрада: Отпорност на корозију са масовном ефикасношћу
У хемијским постројењима и рафинеријама, Легуре никла морају се одупријети Корозивне киселине, алкалис, и гасови високог притиска:
- Монел 400 (8.80 Г / цм³): Изабран за морске цевоводе и руковање морским водама због одличне отпорности на корозију.
- Хастеллои Ц-серија (~ 8,9 г / цм³): Користи се у реакторима за обраду киселина, где је густина уравнотежена од отпорности на корозију и механичком интегритету.
Густина не само не само не само механичка чврстоћа али и топлотна проводљивост и Ефикасност преноса топлоте, Обоје критични у хемијским реакторима.
Цастинг, Ковање, и производња адитива: Контролирање учвршћивања
Понашање густине никла током топлотне обраде директно утиче на производне резултате:
- Цастинг: Смањење густине након топљења (8.908 → ~ 8,70 г / цм³) морају се рачунати да се спречи Порозност скупљања у калуповима.
- Ковање и кук (Вруће изостатско прешање): Примењени притисак ублажава никла легуре, затварање празнина и повећање механичке снаге.
- Додатна производња (У ам): Фузија у праху и усмерена полагања енергије ослањају се на доследну густину прашка за предвидљиво Пролазност, Јединственост слоја, и последња детињска густина.
Енергија и нуклеарне апликације: Када је висока густина користи
У неким индустријама, Већа густина је повољна:
- Легуре Ницкел-Вогун (~ 10,0 г / цм³): Омогућите заштиту од зрачења у нуклеарним реакторима и медицинским сликама.
- Аноде и катоде на бази никла: Густина утиче на тренутну ефикасност и топлотну стабилност у горивним ћелијама и електролизаторима.
6. Брзи референтни сто: Чисти никл и обичне легуре
| Материјал / Легура | Састав (Главни елементи) | Густина (Г / цм³ @ 20 ° Ц) | Тачка топљења (° Ц) | Кључне апликације |
| Чисти никл (99.99%) | ≥99,99% на | 8.908 | 1455 | Електроника, термо-колач, електричан |
| Комерцијални никл (Разреда 200) | ≥99,0% на + ФЕ нечистоће | 8.85-8.90 | 1445-1455 | Опрема за хемијску обраду, марински хардвер |
| Монел 400 | ~ 65% има, 34% Цу, 1% Фе | 8.80 | 1350-1400 | Марински инжењеринг, пумпе, Измењивачи топлоте |
| Уносилац 600 | ~ 72% има, 14-17% цр, 6-10% фе | 8.47 | 1354-1413 | Хемијска обрада, Компоненте пећи, нуклеарни реактори |
| Уносилац 625 | ~ 59% има, 21.5% ЦР, 9% Мо, 5% Фе | 8.44 | 1290-1350 | Аероспаце турбине, нуклеарни реактори, Хемијске биљке |
| Васислои | ~ 58% има, 19% ЦР, 13% Цо, 4% Мо, Од, Алтер | 8.19 | 1320-1380 | Дискови за млазни мотор, Аероспаце причвршћивачи |
Нимониц 80а |
~ 76% има, 20% ЦР, Од, Алтер | 8.19 | 1320-1385 | Гасне турбине, Издувни вентили, Спринг високе температуре |
| Хастеллои к | ~ 47% има, 22% ЦР, 18.5% Фе, 9% Мо | 8.30 | 1260-1355 | Коморе за сагоревање гасних турбина, Високотемпературни канали |
| Хастеллои Ц-22 | ~ 56% има, 22% ЦР, 13% Мо, 3% Ви, Фе | 8.69 | 1350-1400 | Хемијски реактори, пилингбери, контрола загађења |
| Хастеллои Ц-276 | ~ 57% има, 16% Мо, 15% ЦР, 5% Фе, Ви | 8.89 | 1325-1370 | Глупови гас, хемијска обрада, контрола загађења |
| Инколој 825 | ~ 42% има, 21.5% ЦР, 30-35% фе, 3% Мо | 8.14 | 1385-1400 | Цевоводи отпоран на киселину, Морски испушни системи |
| Ницкел - (30% Ви) | ~ 70% у, 30% Ви | 10.0 | ~ 1455-1500 | Оклоп за зрачење, делови отпорни на хабање |
| Умазати 36 | ~ 64% ФЕ, 36% У | 8.05 | 1430-1440 | Прецизни инструменти, Примена ниске термичке експанзије |
7. Закључак
Никалска густина је основна физичка имовинска дизајн утицаја, производња, и перформансе у високотехнолошкој индустрији.
Фактори попут чистоће, легиран, температура, и притисак стварају мање варијације, Али разумевање ових нијанси је критично за инжењере и материјалне научнике.
Никалска комбинација велике густине, механичка чврстоћа, и топлотна отпорност то чини неопходном преко ваздухоплова, хемијски, енергија, и електроничка сектора.
Често постављана питања
Да ли облик никла (Солид вс. прашак) утичу на његову густину?
Да. "Прави густина" (густина самог никла) је исто за чврсте и прашке (~ 8.908 г / цм³ за чисту никл), Али "Булк густина" (Маса / запремина кревета у праху) је нижи (4-5 г / цм³) Због празнина између честица.
Гасна пикометрија мери праву густину, Док додирните мјере густине Булке Густина.
Како хладни рад утиче на дензитет никла?
Хладан рад (Нпр., котрљање, ковање) Повећава никлску густину мало (~ 0.1-02%) Смањењем оштећења решетке (дислокације) и компримирање празнина.
На пример, Хладно ваљани никл има густину од ~ 8,92 г / цм³, вс. 8.908 Г / цм³ за аннете никла.
Да ли је никлова густина виша од осталих заједничких метала?
Да. Никл је гунсир од алуминијума (2.70 Г / цм³), гвожђе (7.87 Г / цм³), и титанијум (4.51 Г / цм³) Али мање густа од бакра (8.96 Г / цм³), месинга (8.4-8.7 г / цм³), и волфрам (19.3 Г / цм³).
Може се користити густина за разликовање никла од фалсификованих метала?
Да. На пример, Никловални челик (Густина ~ 7.9 г / цм³) има нижу густину од чисте никла (8.908 Г / цм³), Прављење архимеда 'принцип једноставан начин за откривање фалсификата (Нпр., лажни никл кованице).
Која је густина никла у свемиру (вакуум, екстремна температура)?
У вакууму, густина је нетакнута (Само температура и материјал и притисак). На криогеним температурама (-200° Ц), Никлова густина се повећава на ~ 8,95 г / цм³ (Због контракције решетке).
У микрограритовању, Мерење густине путем принципа архимеда је немогуће, СО КСРД се уместо тога користи.
