Низька щільність алюмінію як головне фізична властивість металу. Алюмінієві сплави

Металеві матеріали в сучасному світі використовуються повсюдно, починаючи від побутової техніки і закінчуючи літакобудуванням і космічною промисловістю. Одним з поширених металів у використанні є алюміній. У статті розкриємо питання, яке властивість цього металу зумовило його широке використання. Відповідь на це питання криється в густині алюмінію.

Що таке алюміній?

Мова йде про 13 елемента в таблиці Менделєєва, який знаходиться в 3-му періоді. Він має атомну масу 26,982 і валентність ІІІ. При нормальних умовах алюміній є твердою речовиною, сріблястого кольору. На повітрі він легко окислюється, утворюючи міцну плівку Al2O3. Саме вона запобігає подальше корозійне руйнування металу. Плівка залишається стійкою аж до температури плавлення, яка є невисокою і становить всього 660 oC.

Популярність використання цього металу для виробництва металевих конструкцій і технічних деталей пов’язана з двома важливими факторами:

  • низькою щільністю алюмінію в порівнянні зі сталлю;
  • високою корозійною стійкістю на повітрі.

Крім того, слід зазначити, що даний елемент є третім за поширеністю в земній корі, після кисню і кремнію, і перший серед металів.

Основні фізико-хімічні властивості металу

Оскільки алюміній містить на зовнішньому електронному рівні 3 вільних електрона, то він є досить активним металом і проявляє в хімічних реакціях валентність ІІІ. Наприклад, процес окислення відбувається по наступній реакції:

4Al + 3O2 -> 2Al2O3.

Що стосується фізичних властивостей, то слід зазначити високу тепло — і електропровідність металу. Хоча алюміній програє за вказаними показниками міді, тим не менш його відносно низька щільність призводить до повсюдного використання алюмінію в якості основи для ліній електропередач, де важлива маса дроту.

Щільність алюмінію при кімнатній температурі приблизно становить 2 700 кг/м3. Це означає, що цей метал практично в три рази легше сталі. Цей факт дозволяє використовувати сплави на основі алюмінію в літакобудуванні, у виробництві космічної техніки і спортивних машин з полегшеним вагою.

Звідки отримують алюміній в промислових масштабах?

В земній корі близько 8 % маси — це алюміній. Тим не менш в природі в чистому стані метал практично не зустрічається. Знаходиться він в основному в силікатах, оксиди і гідроксиди. Одним з гідроксидів є осадовий мінерал боксит, з якого у всьому світі в основному добувають чистий алюміній. Зважаючи високої реакційної здатності металу, його вдається витягти з хімічних сполук тільки в результаті електролізу. Цей процес супроводжується великими витратами електроенергії, що підвищує собівартість виробництва металу. Проте його виробництво окупається за рахунок повсюдної доступності бокситу і низької собівартості переробки металу.

Питома вага алюмінію

Згідно з визначенням, під питомою вагою розуміють масу тіла, яка припадає на одиницю його обсягу. Тобто мова йде про щільності матеріалу. Вище ми вже згадували, що щільність алюмінію в 3 рази нижче, ніж у сталі. Точне значення його щільності при кімнатній температурі становить 2 698,4 кг/м3. Іншими словами, метал важче води в 2,7 рази.

Щільність будь-якого металевого матеріалу можна розрахувати теоретичним способом. Для цього слід знати атомну масу елемента, його тип кристалічної решітки і відстань між атомами в ній. У нашому випадку маємо так звану гранецентрованої кубічну (ГЦК) ґрати, яка зберігається в алюмінію у всіх температурних областях існування його твердої фази при атмосферному тиску. Нижче показаний малюнок, де наводиться приклад ГЦК кристалічної решітки.

Як бачимо, кубик, утворений 8 атомами в його вершинах, містить ще 6 атомів в центрі кожної квадратної межі. Оскільки з таких маленьких кубиків з параметром решітки 4,05 ангстрем складається макроскопічний кристал, то на один кубик припадає 4 цілих атома.

Нагадаємо, що щільність речовин визначається за наступною математичною формулою:

ρ = m/V.

Застосовуючи її для ГЦК алюмінію, та враховуючи наведену вище інформацію, отримуємо:

ρ = 4 × mAl / (a3).

Тут mAl — маса алюмінієвого атома, a — параметр решітки.

Підставляючи відомі значення mAl a, приходимо до відповіді: ρ = 2 697 кг/м3, що добре узгоджується з експериментальним значенням.

Зауважимо, оскільки при збільшенні температури відбувається значне розширення металу, то його щільність знижується на кілька відсотків.

Сплави алюмінію

Сам по собі розглянутий метал є досить м’яким і неміцним. Його твердість за шкалою Мооса становить 3, а міцність на розрив не перевищує 200 МПа. Такі низькі показники міцності обмежують його використання в якості конструкційного матеріалу. Проте вже невелика кількість домішок інших елементів здатне кардинально змінити фізичні властивості металу. Так, добавка всього декількох відсотків міді і відповідна термічна обробка підвищують його опір на розрив у 2 рази.

Всі сплави на основі алюмінію володіють більш високими механічними властивостями, включаючи здатність до механічної і термічної обробки. Проте знижується корозійна стійкість металу. Основними елементами, які додають в алюміній, є мідь, магній, марганець, залізо, кремній і цинк. З ними атоми алюмінію утворюють зміцнюючі фази.

Класифікація сплавів

Для класифікації розглядуваних сплавів у всьому світі використовують чотиризначні цифри, причому перша цифра говорить про основний (фазообразующей) добавці до алюмінію. Існують наступні марки:

  • 1XXX — на 99% чистий метал з добавками Fe та Si;
  • 2XXX — сплави з міддю для літакової промисловості;
  • 3XXX — добавка марганцю (виробництво алюмінієвих банок для напоїв);
  • 4XXX — добавка кремнію;
  • 5XXX — сплав з магнієм;
  • 6XXX — добавки магнію і кремнію;
  • 7XXX — сплави з цинком і магнієм для виробництва різних конструкцій літаків;
  • 8XXX — інші елементи.