Алюминий — материал, к которому конструктор обращается, когда важна масса, и число за этим решением — плотность: 2,70 г/см³ для чистого алюминия против 7,85 г/см³ для стали и 8,96 г/см³ для меди. Примерно треть от стали, деталь к детали — но только если деталь спроектирована под это, потому что жёсткость алюминия тоже треть.
Какова плотность алюминия?
Чистый алюминий имеет плотность 2,70 г/см³ (2 700 кг/м³, или 0,098 фунт/дюйм³) при комнатной температуре. Промышленные сплавы лежат примерно между 2,63 и 2,85 г/см³ в зависимости от легирующих элементов: 5052 — 2,68, 6061 — 2,70, 3003 — 2,73 и 7075 — 2,81. Чтобы получить массу детали, умножьте объём в см³ на плотность — заготовка 1 000 см³ из 6061 весит 2,70 кг, а та же заготовка из стали весила бы 7,85 кг. Плотность немного меняется с температурой и нагартовкой, но недостаточно, чтобы это влияло на массу детали, упаковочные листы или расчёты логистики.
Плотность сплавов, которые мы видим на чертежах
| Материал | Плотность (г/см³) | кг/м³ | По сравнению со сталью |
|---|---|---|---|
| Алюминий 1050 (чистый) | 2.70 | 2,700 | 34% |
| Алюминий 3003 | 2.73 | 2,730 | 35% |
| Алюминий 5052 | 2.68 | 2,680 | 34% |
| Алюминий 6061 | 2.70 | 2,700 | 34% |
| Алюминий 6082 | 2.70 | 2,700 | 34% |
| Алюминий 7075 | 2.81 | 2,810 | 36% |
| Сталь (малоуглеродистая, DC01) | 7.85 | 7,850 | 100% |
| Нержавеющая сталь 304 | 8.00 | 8,000 | 102% |
| Медь C11000 | 8.96 | 8,960 | 114% |
| Латунь (CuZn37) | 8.44 | 8,440 | 108% |
Плотность меди, латуни и стали: 8,96, 8,44 и 7,85 г/см³
Таблица выше — это весь ответ для металлов, которые мы обрабатываем чаще всего, а практическая часть — то, что число делает дальше по цепочке. Медь — 8,96 г/см³, латунь — 8,44 против 2,70 у алюминия: тот же объём меди весит в 3,3 раза больше. Малоуглеродистая сталь — 7,85, нержавеющая 304 — 8,00, поэтому стальная деталь примерно в 2,9 раза тяжелее алюминиевой. Ничто из этого не повод избегать металла — это повод заложить плотность в расчёт до фиксации чертежа.
- Медь, C11000 — 8,96 г/см³, в 3,3 раза больше алюминия. Медные детали обычно выбирают ради проводимости или отделки, а не ради массы: заготовка 1 000 см³ весит 8,96 кг против 2,70 кг в алюминии, и эта разница попадает в строку логистики при каждой отгрузке. См. магнитна ли медь.
- Латунь, CuZn37 — 8,44 г/см³, в 3,1 раза больше алюминия. Латунь — обычный материал для точеных сенсорных фитингов и шестигранных гаек, и такие детали часто покупают по массе, поэтому плотность входит в цену. См. латунь в сравнении с бронзой.
- Малоуглеродистая сталь, DC01 — 7,85 г/см³. Сталь — эталонный столбец в таблице выше: строки алюминия указаны в процентах от него, и 7,85 — то число, с которого начинается любой расчёт массы в листовом металле.
- Нержавеющая сталь 304 — 8,00 г/см³. Немного тяжелее малоуглеродистой стали, и это марка, из которой сделано большинство вытянутых корпусов датчиков, поэтому перевод корпуса с алюминия на нержавеющую сталь меняет его массу почти втрое.
- Алюминиевые сплавы — от 2,68 до 2,81 г/см³. Этот разброс важен для детали с ограничением по массе: та же геометрия в 7075 примерно на 4% тяжелее, чем в 6061.
Разница проявляется в логистике и обработке. Авиаперевозка считается по оплачиваемой массе, поэтому медная или латунная деталь платит своей плотностью при каждой отправке: алюминиевый кронштейн 500 г в латуни весит 1,56 кг. Там, где чертёж допускает более лёгкий металл, это реальная экономия, а где нет — проводимость, износ, магнитное требование — плотность просто является стоимостью материала и должна быть в расчёте.
Превращение плотности в массу детали
Масса равна объёму, умноженному на плотность, а для штампованной или вытянутой детали объём берётся из заготовки, а не из готовой геометрии: толщина листа, умноженная на развёрнутую площадь, минус отрезаемые отходы. Поэтому использование материала и масса — это один и тот же разговор. Для плоской детали это быстрая арифметика; для вытянутого корпуса стоит считать от заготовки, потому что стенка утоняется, фланец утолщается, и готовая деталь весит не ровно столько, сколько весила заготовка. См. пересчёт толщины и калибра , когда чертёж всё ещё задан в калибрах.
Что плотность алюминия даёт, а что нет
- Масса: да — треть массы при том же объёме, поэтому он выигрывает в транспорте, ручных устройствах и во всём, что приходится поднимать многократно.
- Жёсткость: нет — модуль Юнга примерно треть от стального, поэтому деталь с ограничением по прогибу часто требует более толстого сечения или ребра, и преимущество по массе сужается.
- Логистика и упаковка — более лёгкую деталь дешевле перевозить, и экономия на перевозке — реальные деньги для программы с авиаперевозками.
- Тепловое поведение — алюминий проводит тепло лучше стали и сильнее расширяется, и то и другое важно для корпуса, который должен держать датчик при температуре.
- Стоимость за килограмм — алюминий дороже стали за килограмм, поэтому экономия должна приходить от массы, коррозионной стойкости или процесса, а не от цены материала.
Распространённые пересчёты
| Единица | Алюминий | Сталь |
|---|---|---|
| г/см³ | 2.70 | 7.85 |
| кг/м³ | 2,700 | 7,850 |
| фунт/дюйм³ | 0.098 | 0.284 |
| фунт/фут³ | 169 | 490 |
| кг на м² при толщине 1 мм | 2.70 | 7.85 |
Ключевой момент
Используйте 2,70 г/см³ для алюминиевых сплавов в любом расчёте массы первого приближения, 2,68 для 5052 и 2,81 для 7075, а также 8,96, 8,44 и 7,85 для меди, латуни и стали. Считайте от заготовки, а не от готовой детали для всего вытянутого, и помните, что вес в треть от стали идёт вместе с жёсткостью в треть от стали.
Частые вопросы
Какова плотность алюминия в кг/м3?
2 700 кг/м³ для чистого алюминия. Промышленные сплавы — примерно от 2 630 до 2 850 кг/м³.
Алюминий легче стали?
Да, по объёму: 2,70 г/см³ против 7,85 г/см³ для малоуглеродистой стали, поэтому одинаковое сплошное сечение весит примерно треть. Деталь, спроектированная по пределу жёсткости, может получиться тяжелее, чем предполагает идеальное соотношение, потому что алюминий ещё и менее жёсткий.
Какова плотность алюминия 6061?
2,70 г/см³, фактически такая же, как у чистого алюминия, для расчётов массы.
Как рассчитать массу алюминиевой детали?
Умножьте объём в см³ на 2,70 для чистого алюминия или 6061, либо на плотность конкретного сплава по чертежу. Для листовых деталей начинайте с площади заготовки, умноженной на толщину.
Какова плотность меди?
8,96 г/см³ (8 960 кг/м³) для чистой меди C11000 — примерно в 3,3 раза больше плотности алюминия и на 14% больше, чем у малоуглеродистой стали.
Какова плотность стали?
7,85 г/см³ для малоуглеродистой стали типа DC01 и 8,00 г/см³ для нержавеющей 304. Легированные стали лежат примерно между 7,75 и 8,05 в зависимости от легирующих элементов.
Медь тяжелее стали?
Да. Медь — 8,96 г/см³ против 7,85 у малоуглеродистой стали, поэтому тот же объём примерно на 14% тяжелее; нержавеющая 304 находится между ними при 8,00.
Какова плотность латуни?
8,44 г/см³ для CuZn37. Плотность латуни растёт с содержанием цинка — примерно от 8,4 до 8,7 г/см³ по распространённым маркам.
Стандарты и источники
- EN 573-3 — Алюминий и алюминиевые сплавы: химический состав и форма продукции.
- ASTM B209 — Стандартная спецификация на листы и плиты из алюминия и алюминиевых сплавов.
- EN 10088-1 — Нержавеющие стали (номера материалов для сравнения).
Значения плотности — характеристики материала при комнатной температуре (20 °C); легирующие элементы изменяют их на несколько процентов.