لماذا يستخدم الألمنيوم في العديد من الصناعات؟, مثل الطيران والتعبئة والتغليف? السر هو كثافته, عامل يجعلها خفيفة ومفيدة عادة. لكن, يصبح من الصعب تحديد كيفية تأثير خاصية كثافة الألومنيوم على الأداء. لا يهم إذا كنت تختار هيكلًا خفيف الوزن أو المادة المناسبة لمنتج معين, قد تكون كثافة الألومنيوم هي مفتاح النجاح. الآن دعونا نناقش سبب أهمية هذه الخاصية في جميع الصناعات وتأثيرها على وظيفة المادة.
ما أهمية كثافة الألومنيوم؟?
تحدد كثافة الألومنيوم طبيعة المادة وتفاعلها في التطبيقات المختلفة. فهو يحدد قوته ووزنه في أحدهما أو في الآخر. هكذا, معرفة كثافته أمر بالغ الأهمية ل الألومنيوم كمادة لاتخاذ القرارات في مجال الطيران, السيارات, وصناعات التعبئة والتغليف, حيث يتم تقدير المواد خفيفة الوزن ولكنها قوية.
كثافة الألومنيوم
الألومنيوم لديه كثافة منخفضة نسبيا من 2.7 جم/سم3 مقارنة بالعديد من المعادن الأخرى. إن الكثافة المنخفضة للألمنيوم إلى جانب قوته تجعله ذا قيمة لتصنيع خفيف الوزن, بعد منتجات قوية. لذا, يتم استخدامه على نطاق واسع في صناعات مثل الطيران, السيارات, والتعبئة والتغليف.
العوامل المؤثرة على كثافة الألومنيوم
هناك عدة عوامل تؤثر على كثافة الألومنيوم وخصائصه, الأداء في العديد من التطبيقات, وتقنيات المعالجة. فيما يلي العوامل التقنية الرئيسية التي تؤثر على كثافة الألومنيوم:
درجة حرارة
معظم المعادن, والألومنيوم, بخاصة, توسيع عند تسخينها. عندما ترتفع درجة الحرارة، تكتسب ذرات الألومنيوم المزيد من الطاقة للاهتزاز. ومن ثم يتم تفكيك الذرات. ويؤدي التوسع إلى انخفاض في الكثافة. على سبيل المثال, التكوين الإلكتروني للألمنيوم الصلب عند RT (20 درجة مئوية) يساوي 2.70 جم/سم3 بينما الألومنيوم المتمدد عند درجات حرارة مرتفعة, مثل 473 ك, يساوي 2.63 جم/سم3.
تكوين سبائك
الألومنيوم النقي لديه كثافة 2.70 جم/سم3 ولكن بنسبة أعلى من محتوى الألومنيوم, تتراوح كثافتها من 2.6 ل 2.8 جم/سم3 مع معادن مثل النحاس, المغنيسيوم, السيليكون, أو الزنك يؤثر على السبائك. على سبيل المثال, من سبائك الألومنيوم والنحاس, هذا الأخير يظهر كثافة أعلى مع 2.80 جم/سم3 لأن ذرة النحاس لها وزن ذري أعلى من الألومنيوم.
ضغط
عندما يتم وضع الألومنيوم تحت ضغط عالٍ، حتى لو لم يكن الضغط مرتفعًا جدًا كما هو الحال في الماس، ترتفع كثافة الألومنيوم قليلاً. لأن المادة مضغوطة تحت ضغط مرتفع. لكن, على العموم, ظروف التصنيع, والضغط ليس له تأثير كبير على كثافة الألومنيوم. في مثل هذا الاستخدام المحدد مثل الضغط العميق أو الضغط الجوي, قد يكون للضغط تأثير أكبر على خصائص المادة ولكن الضغط له تأثير ضئيل على الكثافة الظاهرية تحت الضغط العادي.
المسامية والبنية المجهرية
تعد كثافة الألومنيوم وتوزيع حجم حدود الحبوب من السمات الهيكلية الدقيقة التي قد تؤثر على الكثافة الفعالة للألمنيوم. الألومنيوم ذو المسامية الداخلية الأكبر سيكون له كثافة ظاهرة أقل لأن المسامية الداخلية يمكن أن تعمل على تهوية الجيوب والفراغات. يمكن أن تؤدي الحبوب الدقيقة والموحدة في الألومنيوم المطروق إلى زيادة طفيفة في الكثافة عن طريق تقليل المسامية الداخلية.
الشوائب
أي عنصر صناعة السبائك في الألومنيوم, بما في ذلك الأكسجين, هيدروجين, أو أي عنصر آخر, يؤثر على كثافته. على سبيل المثال, الهيدروجين الذي يخترق المعدن (عادة من الماء الممتص أثناء الصب) يمكن أن يسبب تشكيل الفراغات, مما يؤدي إلى تغير في كثافته. تعمل الشوائب أيضًا على تغيير التركيب العام للسبيكة وتؤثر على ترتيب الذرات مع الكثافة.
تصلب العمل والإجهاد
في عمليات الاستخدام على سبيل المثال المتداول, تزوير, أو يمكن تعريض الألمنيوم المنبثق للتصلب أثناء العمل. تعمل هذه العملية على رفع قوة المعدن عن طريق إدخال الاضطرابات في البنية البلورية. قد تكون كثافة الألومنيوم المقسى أعلى قليلاً بسبب زيادة التعبئة الذرية بسبب تكوين الانفعال.
مقارنة المعادن حسب الخصائص الرئيسية
فيما يلي مقارنة بين الألومنيوم والمعادن الشائعة الأخرى بناءً على الكثافة, العدد الذري, نقطة الانصهار, نقطة الغليان, نصف القطر الذري, والبنية البلورية:
| معدن | كثافة (جم/سم3) | العدد الذري | نقطة الانصهار (درجة مئوية) | نقطة الغليان (درجة مئوية) | نصف القطر الذري (مساءً) | الهيكل البلوري |
| الألومنيوم | 2.70 | 13 | 660 | 2,470 | 143 | مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) |
| نحاس | 8.96 | 29 | 1,085 | 2,562 | 128 | مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) |
| فُولاَذ (الكربون) | 7.85 | يختلف (الحديد = 26) | 1,370 | 2,500 | 126 | مكعب مركزه الجسم (نسخة مخفية الوجهة) أو مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) اعتمادا على النوع |
| يقود | 11.34 | 82 | 327 | 1,750 | 175 | مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) |
| ذهب | 19.32 | 79 | 1,064 | 2,856 | 144 | مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) |
| التيتانيوم | 4.43 | 22 | 1,668 | 3,287 | 147 | سداسية قريبة معبأة (HCP) |
| النيكل | 8.90 | 28 | 1,455 | 2,913 | 124 | مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) |
| الزنك | 7.14 | 30 | 419 | 907 | 139 | سداسية قريبة معبأة (HCP) |
| حديد | 7.87 | 26 | 1,538 | 2,862 | 126 | مكعب مركزه الجسم (نسخة مخفية الوجهة) |
| المغنيسيوم | 1.74 | 12 | 650 | 1,090 | 160 | سداسية قريبة معبأة (HCP) |
اختلافات الكثافة بين درجات الألومنيوم
فيما يلي مقارنة بين الكثافة والخصائص الرئيسية لدرجات الألومنيوم المختلفة:
| الملكية/الشروط | 1100 مسلسل | 2024 درجة | 3003 درجة | 5052 درجة | 6061 درجة | 7075 درجة |
| كثافة (جم/سم3) | 2.71 | 2.78 | 2.73 | 2.68 | 2.70 | 2.81 |
| قوة | قليل | عالي | معتدل | عالي | عالي | عالية جدًا |
| المقاومة للتآكل | ممتاز | معتدل | جيد | ممتاز | جيد | معتدل |
| الاستخدام النموذجي | طعام & الصناعات الكيميائية | الطائرات, الفضاء الجوي | تسقيف, أدوات الطبخ | البحرية, أوعية الضغط | الهيكلية, الفضاء الجوي | الفضاء الجوي, جيش |
| القابلية للتشكيل | ممتاز | معتدل | جيد | جيد | جيد | معتدل |
| قابلية اللحام | ممتاز | عدل | جيد | جيد | جيد | عدل |
سبائك الألومنيوم الشائعة وتركيباتها
فيما يلي قائمة ببعض سبائك الألومنيوم وتركيباتها وكثافاتها.
| سلسلة سبائك | نوع السبائك | تعبير (العناصر الأولية) | كثافة (جم/سم3) | الاستخدامات النموذجية |
| 1000 مسلسل | 1100 | 99%+ الألومنيوم | 2.71 | الصناعات الغذائية والكيميائية, ديكور, والمبادلات الحرارية |
| 2000 مسلسل | 2024 | الألومنيوم, نحاس (3.8-4.9%), المنغنيز, المغنيسيوم | 2.78 | الفضاء الجوي, جيش (قوة عالية, ولكن مقاومة التآكل ضعيفة) |
| 3000 مسلسل | 3003 | الألومنيوم, المنغنيز (1.0-1.5%), نحاس | 2.73 | تسقيف, أدوات الطبخ, أوعية الضغط |
| 4000 مسلسل | 4032 | الألومنيوم, السيليكون (12-13%), نحاس, حديد | 2.70 | السيارات, أجزاء المحرك عالية الأداء |
| 5000 مسلسل | 5052 | الألومنيوم, المغنيسيوم (2.5-3.5%), الكروم | 2.68 | البيئات البحرية, أوعية الضغط, خزانات الوقود |
| 6000 مسلسل | 6061 | الألومنيوم, المغنيسيوم (0.8-1.2%), السيليكون (0.4-0.8%) | 2.70 | التطبيقات الهيكلية, الفضاء الجوي, السيارات, بناء |
| 7000 مسلسل | 7075 | الألومنيوم, الزنك (5.1-6.1%), المغنيسيوم (2.1-2.9%), نحاس | 2.81 | الفضاء الجوي, جيش, المعدات الرياضية (قوة عالية) |
| 8000 مسلسل | 8006 | الألومنيوم, حديد, السيليكون | 2.72 | التعبئة والتغليف, رقائق الألومنيوم, السلع المنزلية |
حسابات الكثافة وتطبيقات الحياة الواقعية للألمنيوم
دعونا نناقش خطوات تحديد كثافة الألومنيوم التي يجب أن تشمل تطبيقاته.
حساب كثافة الألومنيوم
صيغة الكثافة هي:
كثافة(ص)= الكتلة/الحجم
أين:
- يتم قياس الكثافة بوحدة جم/سم3 أو كجم/م3.
- الكتلة هي وزن الجسم (بالجرام أو الكيلو جرام).
- الحجم هو المساحة التي يشغلها الكائن (في سم مكعب أو متر مكعب).
على سبيل المثال, دعونا نحسب كثافة كتلة الألومنيوم. لنفترض أن لديك كتلة من الألومنيوم بالقياسات التالية:
- الكتلة = 1350 غرام
- حجم = 500 سم³
الكثافة النموذجية الألومنيوم النقي موجود 2.70 جم/سم3. للإصدارات المصنوعة من سبائك الألومنيوم, يمكن أن تختلف الكثافة قليلاً اعتمادًا على العناصر المحددة المضافة, مثل النحاس, المغنيسيوم, أو الزنك.
كثافة الألمنيوم في التطبيقات العملية
كما أن لكثافة الألومنيوم دوراً هاماً في تطبيقه في الحياة العملية. فيما يلي بعض الصناعات المحددة التي تكون فيها كثافة الألومنيوم أمرًا بالغ الأهمية:
الفضاء والطيران
يفضل استخدام الألمنيوم في صناعة الطائرات وأجزاء الطيران بسبب كثافته المنخفضة. الفائدة الأساسية من سبائك الألومنيوم, وتحديداً الكثافة المنخفضة, هي متطلبات وقود أقل للطائرات والصواريخ التي سيتم تصنيعها, حمولة أكبر, ومع ذلك فهي متساوية في القوة تقريبًا. العديد من التطبيقات الهيكلية مثل 2024 و 7075 يتم استخدام السبائك في الحالات التي تكون فيها القوة والكثافة المنخفضة مهمة.
صناعة السيارات
في صناعة السيارات, تساعد كثافة الألومنيوم على تحسين كفاءة استهلاك الوقود. تترجم المواد الأخف إلى طاقة أقل تستخدم لتحريك السيارة. لذلك, ويمكن الحصول على انبعاثات أقل وأداء أفضل. لكن, يتم استخدامه على نطاق واسع لتصنيع كتل المحرك, والإرسال, وكذلك في جسم السيارات.
التعبئة والتغليف
بفضل كثافته المنخفضة نسبياً, ويستخدم الألومنيوم في صناعات التعبئة والتغليف إلى حد كبير. يتم استخدامه بشكل متكرر في إنتاج رقائق الألومنيوم وعلب المشروبات. تسمح الكثافة المنخفضة بتغليف المنتجات بوزن أخف وبالتالي تقليل تكاليف النقل بينما توفر العبوة القوة والمتانة الكافية لحماية المحتويات.. بالإضافة إلى, فهي تمكن من تحويلها إلى صفائح رقيقة مناسبة للاستخدام في التعبئة والتغليف دون الحاجة بالضرورة إلى استخدام مادة سميكة لزيادة القوة.
بناء
يتم تطبيق الألومنيوم على نطاق واسع في أنشطة البناء لإنشاء المباني والهياكل, مثل النوافذ والأبواب, أسطح, وأعضاء التجسير. كما أن الكثافة المنخفضة تجعل هذه المكونات قوية وخفيفة, مما يعني أنه يتم وضع حمل أقل على أساس الهيكل بينما تكون هناك حاجة إلى المتانة ومقاومة التآكل عند استخدام الألواح خارج أو في البيئة الساحلية.
ادوات رياضية
في الدراجات, مضارب البيسبول, نوادي الغولف, وقضبان الصيد, سبائك الألومنيوم ذات الكثافة المنخفضة تجعلها قوية بالنسبة لوزنها. فضلاً عن ذلك, تتيح الكثافة للمصنعين تصميم معدات قوية بما يكفي لتقديم أفضل أداء ولكنها قابلة للنقل بدرجة كافية لاستخدامها من قبل الرياضيين.
الوجبات السريعة الرئيسية
في الختام, تكشف كثافة الألومنيوم الكثير عن كيفية أداء هذا المعدن في أدوار مختلفة. كثافته تجعل الألومنيوم ذا قيمة. إنها مناسبة للصناعات التي تكون فيها القوة وخفة الوزن أمرًا أساسيًا. وتشمل هذه الفضاء الجوي, السيارات, والبناء. حقيقة أن الوزن يمكن إنقاصه دون فقدان القوة يؤدي إلى مسافة أفضل, زيادة القوة, ونفقة أقل.
علاوة على ذلك, القدرة على التآكل والقدرة على التشكيل في أشكال وأشكال مختلفة تزيد من قدرتها على التكيف في المنتجات اليومية مثل مواد التعبئة والتغليف والمعدات الرياضية. معرفة كثافة الألمنيوم وتطبيق تلك المعرفة, يتم تزويد الصناعات بأفضل الحلول لمزيد من الاستخدام, وبالتالي التركيز على فوائد المادة, وكذلك كفاءة القطاعات التي تستخدم هذا المنتج. اتصل بنا للمزيد من المعلومات.
