Nhôm là vật liệu mà nhà thiết kế tìm đến khi khối lượng quan trọng, và con số đứng sau quyết định đó là khối lượng riêng: 2,70 g/cm³ với nhôm nguyên chất, so với 7,85 g/cm³ của thép và 8,96 g/cm³ của đồng. Khoảng một phần ba thép, tính theo từng chi tiết, nhưng chỉ khi chi tiết được thiết kế cho điều đó, vì nhôm cũng chỉ có một phần ba độ cứng.
Khối lượng riêng của nhôm là bao nhiêu?
Nhôm nguyên chất có khối lượng riêng 2,70 g/cm³ (2.700 kg/m³, tức 0,098 lb/in³) ở nhiệt độ phòng. Các hợp kim thương mại nằm trong khoảng 2,63 đến 2,85 g/cm³ tùy nguyên tố hợp kim: 5052 là 2,68, 6061 là 2,70, 3003 là 2,73 và 7075 là 2,81. Để tính khối lượng của một chi tiết, nhân thể tích tính bằng cm³ với khối lượng riêng: một phôi 1.000 cm³ bằng 6061 nặng 2,70 kg, còn cùng phôi đó bằng thép sẽ nặng 7,85 kg. Khối lượng riêng thay đổi chút ít theo nhiệt độ và trạng thái ram, nhưng không đủ để ảnh hưởng đến khối lượng chi tiết, bảng kê đóng gói hay cách tính phí vận chuyển.
Khối lượng riêng của các hợp kim thường gặp trên bản vẽ
| Vật liệu | Khối lượng riêng (g/cm³) | kg/m³ | So với thép |
|---|---|---|---|
| Nhôm 1050 (nguyên chất) | 2,70 | 2.700 | 34% |
| Nhôm 3003 | 2,73 | 2.730 | 35% |
| Nhôm 5052 | 2,68 | 2.680 | 34% |
| Nhôm 6061 | 2,70 | 2.700 | 34% |
| Nhôm 6082 | 2,70 | 2.700 | 34% |
| Nhôm 7075 | 2,81 | 2.810 | 36% |
| Thép (cacbon thấp, DC01) | 7,85 | 7.850 | 100% |
| Thép không gỉ 304 | 8,00 | 8.000 | 102% |
| Đồng C11000 | 8,96 | 8.960 | 114% |
| Đồng thau (CuZn37) | 8,44 | 8.440 | 108% |
Khối lượng riêng của đồng, đồng thau và thép: 8,96, 8,44 và 7,85 g/cm³
Bảng trên là toàn bộ câu trả lời cho những kim loại chúng tôi gia công thường xuyên nhất, và phần thực tế là hệ quả của con số đó ở phía sau. Đồng là 8,96 g/cm³ và đồng thau là 8,44 g/cm³, so với 2,70 của nhôm: cùng một thể tích đồng nặng gấp 3,3 lần. Thép cacbon thấp là 7,85 và thép không gỉ 304 là 8,00, nên một chi tiết thép nặng khoảng 2,9 lần chi tiết nhôm. Đây không phải lý do để tránh một kim loại nào, mà là lý do để đưa khối lượng riêng vào tính toán trước khi chốt bản vẽ.
- Đồng, C11000 - 8,96 g/cm³, gấp 3,3 lần nhôm. Chi tiết đồng thường được chọn vì độ dẫn điện hoặc bề mặt chứ không vì khối lượng: một phôi 1.000 cm³ nặng 8,96 kg so với 2,70 kg bằng nhôm, và chênh lệch đó nằm trong dòng phí vận chuyển ở mỗi lô hàng. Xem thêm đồng có nhiễm từ không.
- Đồng thau, CuZn37 - 8,44 g/cm³, gấp 3,1 lần nhôm. Đồng thau là vật liệu tiêu chuẩn cho các đầu nối cảm biến tiện và đai ốc sáu cạnh, và những chi tiết này thường được mua theo khối lượng, nên khối lượng riêng là một phần của giá. Xem thêm so sánh đồng thau và đồng thanh.
- Thép cacbon thấp, DC01 - 7,85 g/cm³. Thép là cột tham chiếu trong bảng trên: các dòng nhôm được ghi theo phần trăm so với nó, và 7,85 là con số mà mọi phép tính khối lượng trên thép tấm đều bắt đầu.
- Thép không gỉ 304 - 8,00 g/cm³. Nặng hơn thép cacbon thấp một chút, và là mác mà phần lớn vỏ cảm biến dập sâu được làm ra; chuyển một vỏ từ nhôm sang thép không gỉ làm khối lượng tăng gần ba lần.
- Hợp kim nhôm - từ 2,68 đến 2,81 g/cm³. Khoảng dao động này quan trọng với chi tiết bị giới hạn khối lượng: cùng một hình học, 7075 nặng hơn 6061 khoảng 4 %.
Chỗ thể hiện rõ nhất là phí vận chuyển và bốc xếp. Vận chuyển hàng không tính theo khối lượng thể tích, nên một chi tiết đồng hay đồng thau phải trả cho khối lượng riêng ở mỗi lần gửi: một giá đỡ nhôm 500 g sẽ thành 1,56 kg nếu làm bằng đồng thau. Khi bản vẽ cho phép dùng kim loại nhẹ hơn thì đó là khoản tiết kiệm thật; khi không cho phép (độ dẫn điện, độ mài mòn, yêu cầu từ tính) thì khối lượng riêng chỉ là một khoản chi phí vật liệu và thuộc về báo giá.
Chuyển khối lượng riêng thành khối lượng chi tiết
Khối lượng bằng thể tích nhân khối lượng riêng, và với chi tiết dập hoặc dập sâu thì thể tích lấy từ phôi chứ không phải từ hình học thành phẩm: độ dày tấm nhân diện tích trải, trừ phần phế liệu bị cắt bỏ. Vì vậy hiệu suất vật liệu và khối lượng là cùng một câu chuyện. Với chi tiết phẳng thì đây là phép tính nhanh; với vỏ dập sâu thì nên tính từ phôi, bởi thành mỏng đi còn vành dày lên và chi tiết thành phẩm không nặng đúng bằng phôi. Xem quy đổi độ dày và cỡ số khi bản vẽ còn ghi theo cỡ số.
Khối lượng riêng của nhôm mang lại gì và không mang lại gì
- Khối lượng: có - một phần ba khối lượng cho cùng thể tích, và đó là lý do nó thắng trong vận tải, thiết bị cầm tay và mọi thứ phải nâng lên nhiều lần.
- Độ cứng: không - mô đun Young chỉ bằng khoảng một phần ba thép, nên chi tiết giới hạn bởi độ võng thường cần tiết diện dày hơn hoặc thêm gân, và lợi thế khối lượng thu hẹp lại.
- Vận chuyển và đóng gói - chi tiết nhẹ hơn thì gửi đi rẻ hơn, và khoản tiết kiệm đó là tiền thật với một chương trình vận chuyển bằng đường hàng không.
- Hành vi nhiệt - nhôm dẫn nhiệt tốt hơn thép và giãn nở nhiều hơn; cả hai đều quan trọng với một vỏ cần giữ cảm biến ở đúng nhiệt độ.
- Chi phí mỗi kilôgam - nhôm đắt hơn thép tính theo kilôgam, nên khoản tiết kiệm phải đến từ khối lượng, khả năng chống ăn mòn hoặc quy trình, chứ không từ giá vật liệu.
Các quy đổi thường dùng
| Đơn vị | Nhôm | Thép |
|---|---|---|
| g/cm³ | 2,70 | 7,85 |
| kg/m³ | 2.700 | 7.850 |
| lb/in³ | 0,098 | 0,284 |
| lb/ft³ | 169 | 490 |
| kg trên m² ở độ dày 1 mm | 2,70 | 7,85 |
Điểm chính
Dùng 2,70 g/cm³ cho hợp kim nhôm trong mọi phép tính khối lượng lần đầu, 2,68 cho 5052 và 2,81 cho 7075, và 8,96, 8,44, 7,85 cho đồng, đồng thau và thép. Với chi tiết dập, hãy tính từ phôi chứ không từ thành phẩm, và nhớ rằng một phần ba khối lượng thép đi kèm một phần ba độ cứng.
Câu hỏi thường gặp
Khối lượng riêng của nhôm tính bằng kg/m3 là bao nhiêu?
2.700 kg/m³ với nhôm nguyên chất. Hợp kim thương mại nằm trong khoảng 2.630 đến 2.850 kg/m³.
Nhôm có nhẹ hơn thép không?
Có, tính theo thể tích: 2,70 g/cm³ so với 7,85 g/cm³ của thép cacbon thấp, nên một tiết diện đặc giống nhau chỉ nặng khoảng một phần ba. Chi tiết được thiết kế theo giới hạn độ cứng có thể nặng hơn tỷ lệ lý tưởng gợi ý, vì nhôm cũng kém cứng hơn.
Khối lượng riêng của nhôm 6061 là bao nhiêu?
2,70 g/cm³, thực tế giống nhôm nguyên chất khi tính khối lượng.
Làm sao tính khối lượng một chi tiết nhôm?
Nhân thể tích tính bằng cm³ với 2,70 nếu là nhôm nguyên chất hoặc 6061, hoặc với khối lượng riêng của hợp kim ghi trên bản vẽ. Với chi tiết tấm, bắt đầu từ diện tích phôi nhân với độ dày.
Khối lượng riêng của đồng là bao nhiêu?
8,96 g/cm³ (8.960 kg/m³) với đồng nguyên chất C11000, tức khoảng 3,3 lần khối lượng riêng của nhôm và cao hơn thép cacbon thấp 14 %.
Khối lượng riêng của thép là bao nhiêu?
7,85 g/cm³ với thép cacbon thấp như DC01 và 8,00 g/cm³ với thép không gỉ 304. Thép hợp kim nằm trong khoảng 7,75 đến 8,05 tùy nguyên tố hợp kim.
Đồng có nặng hơn thép không?
Có. Đồng là 8,96 g/cm³ so với 7,85 của thép cacbon thấp, nên cùng thể tích sẽ nặng hơn khoảng 14 %; thép không gỉ 304 nằm ở giữa với 8,00.
Khối lượng riêng của đồng thau là bao nhiêu?
8,44 g/cm³ với CuZn37. Khối lượng riêng của đồng thau tăng theo hàm lượng kẽm, từ khoảng 8,4 đến 8,7 g/cm³ ở các mác phổ biến.