تبلغ كثافة الألومنيوم الصلب عند درجة حرارة الغرفة نحو 2.70 غ/سم³. وهذا يعادل 2,700 كغ/م³ أو 0.0975 رطل/بوصة³ أو 168.6 رطل/قدم³. وتذكر الجمعية الملكية للكيمياء قيمة 2.70 غ/سم³ للعنصر عند درجة حرارة الغرفة.
استخدم 2.70 غ/سم³ كتقدير أولي للوزن عندما تكون درجة السبيكة غير معروفة. واستخدم قيمة خاصة بالسبيكة في الرسم المعتمد أو خطة الشحن أو التصميم الذي تكون فيه الكتلة عاملًا حرجًا. وتتراوح الدرجات الشائعة المختارة أدناه بين 2.66 و2.81 غ/سم³.
الكثافة مجرد مدخل واحد. فهي لا تثبت درجة السبيكة ولا تتنبأ بالمقاومة بمفردها. كما تعتمد الكتلة النهائية على الهندسة الصافية والتجاويف والطلاءات والقطع المُدخلة والمسامية الناتجة عن العملية.
مرجع سريع لكثافة الألومنيوم
| الوحدة | القيمة النموذجية للألومنيوم الصلب عند درجة حرارة الغرفة |
|---|---|
| غ/سم³ | 2.70 |
| كغ/م³ | 2,700 |
| كغ/لتر | 2.70 |
| غ/مم³ | 0.00270 |
| رطل/بوصة³ | 0.0975 |
| رطل/قدم³ | 168.6 |
هذه القيم تحويلات للقيمة الأساسية المدوّرة نفسها، وليست قياسات منفصلة.
ترتبط الكثافة بالثقل النوعي، لكنهما ليسا الكمية نفسها. للكثافة وحدات، أما الثقل النوعي فهو نسبة بلا أبعاد إلى مائع مرجعي، وغالبًا ما يكون الماء. ويبلغ الثقل النوعي الاسمي للألومنيوم نحو 2.7 في الظروف المرجعية الشائعة.
انتبه إلى الوحدة التكعيبية. فكثافة الألومنيوم هي 2,700 كغ/م³ وليست 2.70 كغ/م³. ويؤدي فقدان عامل مقداره 1,000 إلى خطأ كبير في الكتلة.
لماذا تعرض المصادر 2.6989 أو 2.70 أو 2.71 أو 2.712 غ/سم³؟
قد تختلف الأرقام دون أن تعبّر عن تعارض حقيقي. تحقّق أولًا من المادة والحالة المقصودتين في المصدر.
تذكر صفحة تركيب NIST STAR أن كثافة الألومنيوم العنصري تبلغ 2.69890 غ/سم³. وعند تقريب هذه القيمة إلى ثلاثة أرقام معنوية تصبح 2.70 غ/سم³. وتستخدم مراجع هندسية كثيرة هذا الرقم العملي.
قد تعكس قيمة 2.71 غ/سم³ درجة ذات نقاء تجاري أو جدولًا محددًا أو أسلوب تقريب مختلفًا. فعلى سبيل المثال، يدرج جدول السبائك أدناه الألومنيوم 1100 بقيمة 2.71 غ/سم³. ولا ينبغي تطبيق قيمة عامة قدرها 2.712 غ/سم³ تلقائيًا على جميع سبائك الألومنيوم.
تفسّر أربعة تفاصيل معظم الاختلافات:
- نطاق المادة: الألومنيوم العنصري والألومنيوم ذو النقاء التجاري والسبيكة ليست مواد متطابقة.
- التركيب الكيميائي للسبيكة: قد تقع الدرجات الغنية بالمغنيسيوم دون 2.70 غ/سم³، بينما تكون الدرجات المحتوية على النحاس أو الزنك أعلى غالبًا.
- درجة الحرارة والحالة: يغيّر التمدد الحراري الحجم، كما قد تغيّر حالة المادة القيمة الدقيقة.
- التقريب: قد تكون القيم 2.69890 و2.699 و2.70 ناتجة عن القيمة المصدرية نفسها بدرجات دقة مختلفة.
عند التقدير، طابق عدد الأرقام المعنوية مع جودة بيانات الإدخال. فالكثافة المكتوبة حتى ست منازل عشرية لا تحسّن تقدير كتلة مبنيًا على أبعاد تقريبية.
كثافة سبائك الألومنيوم الشائعة
القيم التالية مأخوذة من الجدول 7 في فصل دليل ASM الخاص بمنتجات الألومنيوم المشغولة والمستضاف لدى NIST. وهي كثافات اسمية للحالة الملدنة، أو الحالة O.
| السبيكة المشغولة | الكثافة الاسمية (غ/سم³) | الكثافة الاسمية (كغ/م³) | قراءة عملية |
|---|---|---|---|
| 1050 | 2.705 | 2,705 | نقاء تجاري؛ قريبة من الألومنيوم العنصري |
| 1100 | 2.71 | 2,710 | درجة عامة الاستخدام ذات نقاء تجاري |
| 2024 | 2.78 | 2,780 | سبيكة محتوية على النحاس؛ أعلى من قيم سلسلة 6xxx |
| 3003 | 2.73 | 2,730 | سبيكة صفائح محتوية على المنغنيز |
| 5052 | 2.68 | 2,680 | سبيكة صفائح محتوية على المغنيسيوم |
| 5083 | 2.66 | 2,660 | سبيكة بحرية ذات محتوى أعلى من المغنيسيوم |
| 6061 | 2.70 | 2,700 | سبيكة شائعة للهياكل والتشغيل الآلي |
| 6063 | 2.70 | 2,700 | سبيكة بثق شائعة للتطبيقات المعمارية |
| 7075 | 2.81 | 2,810 | سبيكة عالية المقاومة محتوية على الزنك والنحاس |
يوضح الجدول أيضًا سبب عدم قدرة الكثافة على تحديد كل درجة. فقد أُدرجت السبيكتان 6061 و6063 كلتاهما عند 2.70 غ/سم³. أما الفروق التصميمية الحقيقية بينهما فتتعلق بالتركيب الكيميائي والحالة والمقاومة وسلوك البثق والتشطيب وخواص أخرى.
كما أن الكثافة نادرًا ما تحسم الاختيار بين 5052 و6061. فالقيم الاسمية تختلف بأقل من واحد في المئة. ويكون شكل المنتج ومسار التصنيع أكثر أهمية عادة، كما يوضح دليل الاختيار بين 5052 و6061.
كيف يؤثر التركيب ودرجة الحرارة في كثافة الألومنيوم
تغيّر عملية السبك كلًا من الكتلة والترتيب الذري داخل حجم معين. ويعتمد التأثير على التركيب الكامل وحالة الأطوار. ولا يصح جمع كثافات العناصر باستخدام متوسط حسابي بسيط.
مع ذلك يظل النمط مفيدًا للاستدلال. تقع درجات 5xxx في الجدول بين 2.66 و2.68 غ/سم³. وتبلغ كثافة الدرجة 2024 المحتوية على النحاس 2.78 غ/سم³، بينما تبلغ للدرجة 7075 مقدار 2.81 غ/سم³. استخدم قيمة الدرجة الفعلية بدل افتراض قائم على السلسلة.
تغيّر درجة الحرارة الكثافة بسبب التمدد الحراري. فعندما يسخن الألومنيوم يزداد حجمه بينما تظل كتلته ثابتة، ولذلك تنخفض كثافته. ويكون التغير صغيرًا ضمن اختلافات درجة حرارة الغرفة المعتادة، لكنه مهم في القياسات الدقيقة والمعالجة عند درجات الحرارة المرتفعة.
ولا تنطبق قيمة درجة حرارة الغرفة على الألومنيوم المنصهر. فكثافة السائل تعتمد على السبيكة ودرجة حرارة المصهور. وينبغي أن تستخدم حسابات المسبك بيانات الحالة الفعلية للمصهور بدل اعتماد 2.70 غ/سم³ تلقائيًا.
قد تغيّر المعالجة الحرارية توزيع الأطوار وقيمة الكثافة الدقيقة. وعادة تكفي القيمة الاسمية للسبيكة في تخطيط الوزن المعتاد. أما في قياس كثافة مضبوط، فيجب مطابقة المصدر مع السبيكة والحالة ودرجة الحرارة وحالة المنتج.
كيفية حساب وزن قطعة من الألومنيوم
استخدم العلاقة:
الكتلة = الكثافة × الحجم
حافظ على اتساق الوحدات. إذا كانت الكثافة بوحدة غ/سم³، فيجب أن يكون الحجم بوحدة سم³ وتكون النتيجة بالغرام. وإذا كانت الكثافة بوحدة كغ/م³، فيجب أن يكون الحجم بوحدة م³ وتكون النتيجة بالكيلوغرام.
صيغ الحجم الشائعة هي:
- الصفيحة أو القضيب المستطيل: الطول × العرض × السُمك
- القضيب الدائري: π × القطر² ÷ 4 × الطول
- الأنبوب: π × (القطر الخارجي² – القطر الداخلي²) ÷ 4 × الطول
- القطعة المعقدة المشغلة آليًا: استخدم الحجم الصلب الصافي من نموذج CAD تم التحقق منه
مثال محلول: صفيحة ألومنيوم 6061
افترض أن صفيحة مستطيلة أبعادها 500 مم × 300 مم × 10 مم.
- الحجم = 500 × 300 × 10 = 1,500,000 مم³.
- تحويل الحجم: 1,500,000 مم³ = 1,500 سم³.
- استخدم الكثافة الاسمية للسبيكة 6061: 2.70 غ/سم³.
- الكتلة = 1,500 × 2.70 = 4,050 غ = 4.05 كغ.
تمثل نتيجة 4.05 كغ حجم المستطيل قبل التشغيل. وتقلله الثقوب والجيوب والشقوق والشطفات، بينما تضيف القطع المُدخلة والطلاءات كتلة. وينبغي أن يستخدم تقدير القطعة النهائية الحجم الصافي في نموذج CAD وأن تُنمذج العناصر غير المصنوعة من الألومنيوم بصورة منفصلة.
قبل اعتماد كتلة CAD، تحقّق من أربعة أمور:
- المادة المعيّنة تطابق السبيكة المحددة.
- النموذج يستخدم الهندسة النهائية، وليس الغلاف الحجمي للخامة.
- التجاويف والسنون اللولبية والميزات النمطية المخفية موجودة.
- نظام الوحدات في CAD يطابق وحدة الكثافة.
ولأغراض الخدمات اللوجستية، افصل أيضًا الكتلة الصافية للقطعة عن التغليف والمنصات وبقايا سائل التبريد ومواد التثبيت والحشو.
مقارنة الألومنيوم بالمعادن الأخرى
يستخدم هذا الجدول قيمًا نموذجية عند درجة حرارة الغرفة لأغراض الفرز الأولي. وقد تختلف الدرجات الفعلية.
تستند قيم العناصر إلى بيانات RSC عند درجة حرارة الغرفة لكل من المغنيسيوم، والألومنيوم، و التيتانيوم، و النحاس. أما قيم الفولاذ فهي قيم فرز عامة من جداول الكثافة الهندسية الشائعة، لأن كلا الصفين يغطي عائلات من السبائك.
| المادة | الكثافة النموذجية (غ/سم³) | الكتلة مقارنة بحجم مساوٍ من الألومنيوم |
|---|---|---|
| المغنيسيوم | 1.74 | 0.64× |
| الألومنيوم | 2.70 | 1.00× |
| التيتانيوم | 4.51 | 1.67× |
| الفولاذ الكربوني | 7.85 | 2.91× |
| الفولاذ المقاوم للصدأ | 7.5-8.0 | 2.78-2.96× |
| النحاس | 8.96 | 3.32× |
تبلغ كتلة جسم من الألومنيوم ذي حجم مساوٍ نحو 34% من كتلة جسم نموذجي من الفولاذ الكربوني. وهذا يدعم المقارنة الشائعة «نحو الثلث».
تساوي الحجم لا يعني تساوي الوظيفة. فقد يتطلب الاستبدال بالألومنيوم جدارًا أو ضلع تقوية أو مقطعًا أو وصلة مختلفة. قارن الصلابة والمقاومة والتعب والتآكل ودرجة الحرارة والعملية والتكلفة قبل تغيير المادة. ولا تستطيع الكثافة وحدها تحديد مقدار خفض الوزن النهائي. راجع الدليل المنفصل عن مقاومة الشد للألومنيوم لفهم حدود هذه الخاصية.
كيفية قياس كثافة قطعة ألومنيوم غير منتظمة
بالنسبة إلى قطعة صلبة ذات هندسة معقدة، تتجنب طريقة أرخميدس حساب الحجم يدويًا. ويقيس إجراء حكومة كندا وزن الجسم في الهواء ثم مرة أخرى أثناء تعليقه في الماء.
استخدم هذه المعادلة:
كثافة الجسم = الكتلة في الهواء ÷ (الكتلة في الهواء – الكتلة الظاهرية في الماء) × كثافة الماء
عند 20°م، يستخدم الإجراء كثافة ماء قدرها 0.998 غ/سم³. تزن عينة 110.18 غ في الهواء و69.45 غ في الماء. وتبلغ الكثافة المحسوبة نحو 2.70 غ/سم³.
لإجراء فحص مفيد:
- نظّف العينة وجففها، ثم سجّل كتلتها في الهواء.
- علّقها مغمورة بالكامل في الماء من دون أن تلامس الوعاء.
- أزل فقاعات الهواء المرئية من العينة وخيط التعليق.
- سجّل درجة حرارة الماء والكتلة الظاهرية أثناء الغمر.
- كرر القياس واذكر الطريقة والدقة.
قد تجعل الطلاءات والمقاطع المجوفة والهواء المحبوس والمسام المفتوحة التفسير البسيط غير صالح. فدخول الماء إلى المسام المتصلة بالسطح قد يجعل الحجم المزاح يبدو أصغر مما هو عليه، وعندئذ تبدو الكثافة المحسوبة أعلى من حقيقتها.
توثّق دراسة من NIST حول قياسات المسامية في التصنيع الإضافي للمعادن آلية التغلغل هذه في عينات معدنية مسامية. وكانت مادة الدراسة من الكوبالت-الكروم، لا من الألومنيوم. وما يمكن نقله هو التحذير المتعلق بالقياس، وليس النتائج الرقمية.
متى يصبح تقدير الكتلة مسألة تصنيع
عند وجود هدف صارم للكتلة، حدّد أولًا السبيكة والحالة والحجم الصافي والطلاء والقطع المُدخلة وشرط القبول. وافعل الشيء نفسه عندما لا تطابق الكتلة المقاسة نموذج CAD. ثم أرسل الرسم والمتطلبات إلى Zheng Ji Aluminum لإجراء مراجعة تصنيع مركزة.
الأسئلة الشائعة
ما الكثافة التي ينبغي استخدامها للألومنيوم 6061-T6؟
استخدم 2.70 غ/سم³ أو 2,700 كغ/م³ لتقدير هندسي عادي للكتلة. ويذكر جدول الدليل المشار إليه قيمة 2.70 غ/سم³ للسبيكة 6061 في الحالة O. وإذا كانت الكثافة متطلبًا مضبوطًا، فاستخدم ورقة بيانات المورد الخاصة بالحالة المعنية.
ما كثافة الألومنيوم 7075؟
يعطي الدليل المشار إليه قيمة اسمية تبلغ 2.81 غ/سم³، أو 2,810 كغ/م³. وهي أعلى بنحو 4% من السبيكة 6061 عند الحجم نفسه.
هل تبلغ كثافة الألومنيوم المنصهر أيضًا 2.70 غ/سم³؟
لا. فالانصهار والتسخين الإضافي يزيدان الحجم، ولذلك يكون الألومنيوم السائل أقل كثافة من الصلب عند درجة حرارة الغرفة. استخدم بيانات مسبك خاصة بالسبيكة ودرجة الحرارة في حسابات المصهور.
لماذا تختلف الكتلة المحسوبة عن قراءة الميزان؟
تشمل الأسباب الشائعة استخدام قيمة سبيكة خاطئة، أو وحدات CAD غير صحيحة، أو إغفال الثقوب، أو كتلة الطلاءات والقطع المُدخلة. وقد يؤثر أيضًا عدم اكتمال التشغيل أو وجود سائل محبوس أو خطأ الميزان أو المسامية. تحقّق من الهندسة وحالة القطعة قبل اعتبار الفرق مشكلة في المادة.
