Copper з'яўляецца адным з найважнейшых машынабудаўнічых металаў, і яго шчыльнасць з'яўляецца адным з першых уласцівасцяў, з якімі кансультуюцца інжынеры пры ацэнцы яго для праектавання, выраб, і матэрыяльная замена.
Пры пакаёвай тэмпературы, шчыльнасць медзі звычайна даецца як пра 8.94 да 8.96 G/CM³, што эквівалентна прыкладна 8,940 да 8,960 кг/м³.
На практыцы, што робіць медзь адносна цяжкім металам: нашмат шчыльней, чым алюміній, некалькі шчыльней сталі, і значна цяжэй, чым большасць лёгкіх канструкцыйных металаў.
Гэтая шчыльнасць мае прамыя наступствы. Гэта ўплывае на вагу дэталі, кошт дастаўкі, праектаванне апорнай канструкцыі, інэрцыя ў рухомых сістэмах, і магчымасць замены медзі іншым матэрыялам.
У той жа час, медзь застаецца незаменнай, таму што яе шчыльнасць пастаўляецца з пакетам каштоўных уласцівасцяў: выдатная электраправоднасць, высокая цеплаправоднасць, Добрая ўстойлівасць да карозіі, і надзейная праца ў складаных умовах.
Каб правільна разумець медзь, недастаткова запомніць адну лічбу.
Таксама трэба ведаць, што значыць шчыльнасць, чаму значэнне нязначна змяняецца з тэмпературай і чысцінёй, як медзь параўноўвае з роднаснымі металамі і сплавамі, і чаму інжынеры па-ранейшаму выбіраюць медзь, нават калі яе вага з'яўляецца недахопам.
1. Што азначае шчыльнасць?
Шчыльнасць апісвае, колькі масы змяшчаецца ў дадзеным аб'ёме. Асноўныя адносіны простыя:
Шчыльнасць = Маса ÷ Аб'ём
Калі два аб'екты маюць аднолькавы памер, але адзін больш шчыльны, больш шчыльны прадмет будзе важыць больш. Вось чаму шчыльнасць так важная пры распрацоўцы і вытворчасці.
Ён паказвае, наколькі цяжкай будзе дэталь, перш чым яна будзе выраблена, колькі матэрыялу спатрэбіцца для кампанента, і як будзе паводзіць сябе матэрыял, калі маса важная.
Шчыльнасць звычайна выражаецца ў адной з гэтых адзінак:
- G/CM³
- кг/м³
- фунт/дзюйм³
Для металаў, шчыльнасць з'яўляецца фундаментальнай уласцівасцю, таму што яна дапамагае злучыць выбар матэрыялу з практычнымі інжынернымі вынікамі.
Шчыльны матэрыял можа даць перавагі ў прадукцыйнасці, але гэта таксама можа стварыць праблемы ў сістэмах, адчувальных да вагі.
2. Шчыльнасць чыстай медзі
Для большасці інжынерных мэтаў, шчыльнасць медзі пры пакаёвай тэмпературы разглядаецца як:
| Маёмасць | Тыповае значэнне |
| Шчыльнасць медзі | 8.94–8,96 г/см³ |
| Шчыльнасць медзі | 8,940–8 960 кг/м³ |
| Шчыльнасць медзі | 0.323–0,324 фунта/цаля³ |
Гэты невялікі дыяпазон - гэта нармальна. У розных спасылках могуць выкарыстоўвацца некалькі розныя тэмпературы, умоўныя пагадненні аб вымярэнні, або практыкі акруглення.
У рэальнай дызайнерскай працы, гэтыя адрозненні не з'яўляюцца істотнымі, калі дадатак не вельмі адчувальны да вагі або аб'ёму.
3. Чаму медзь здаецца такой цяжкай
Медзь часта здзіўляе людзей, таму што невялікі кавалак можа здавацца значна цяжэйшым, чым здаецца. Гэта адчуванне адбываецца непасрэдна ад яго высокай шчыльнасці.
Пры пакаёвай тэмпературы, медзь мае шчыльнасць каля 8.94–8,96 г/см³
Тлумачэнне простае: атамы медзі шчыльна спакаваныя і адносна масіўныя ў параўнанні з многімі іншымі распаўсюджанымі інжынернымі металамі.
Таму што шчыльнасць роўная масе, падзеленай на аб'ём, матэрыял з большай масай у той жа прасторы заўсёды будзе адчуваць сябе больш цяжкім.
Медзь ставіцца да гэтай катэгорыі, таму нават кампактныя дэталі могуць мець значную вагу.
Гэта важна ў рэальных праграмах. Медная шына, раз'ём, трубка, або цеплаабменны элемент можа забяспечыць выдатную прадукцыйнасць, але гэта таксама дадасць больш масы, чым параўнальная алюмініевая частка.
У сістэмах, дзе кожны кілаграм на рахунку, шчыльнасць становіцца дызайнерскім абмежаваннем, а не фонавым фактам.
4. Шчыльнасць медзі ў параўнанні з меднымі сплавамі
Ніжэй прыведзена пашыранае параўнанне з больш распаўсюджанымі маркамі медзі і медных сплаваў UNS.
Значэнні шчыльнасці паказаны ў кг/м³, фунт/дзюйм³, і G/CM³ для зручнай інжынернай даведкі; лічбы ў кг/м³ з'яўляюцца акругленымі пералікамі апублікаваных дадзеных аб шчыльнасці пакаёвай тэмпературы.
| Матэрыял | Не нумар | Тыповая шчыльнасць (G/CM³) | Тыповая шчыльнасць (кг/м³) | Тыповая шчыльнасць (фунт/дзюйм³) | Тыповыя нататкі |
| Бескіслародная электронная медзь | C10100 | 8.94 | 8,940 | 0.323 | Медзь вельмі высокай чысціні са шчыльнасцю практычна ў стандартным дыяпазоне медзі. |
| Медзь, раскісленая фосфарам | C12200 | 8.94 | 8,940 | 0.323 | Медзь з шчыльнасцю, вельмі падобнай да чыстай медзі, звычайна выкарыстоўваецца ў трубах і сантэхніцы. |
| Патрон латунь | C26000 | 8.53 | 8,530 | 0.308 | Лягчэй чыстай медзі; звычайная латунь агульнага прызначэння. |
| Жоўтая латунь | C27000 | 8.47 | 8,480 | 0.306 | Крыху лягчэй, чым C26000, яшчэ ў сям'і духавых. |
Мюнц-метал / Сям'я Брас |
C28000 | 8.39 | 8,390 | 0.303 | Марка латуні меншай шчыльнасці ў параўнанні з чыстай меддзю. |
| Фосфарная бронза | C51000 | 8.86 | 8,860 | 0.320 | Па шчыльнасці блізкі да медзі, з больш моцнай спружынай і зносам. |
| Фосфарная бронза | C52100 | 8.80 | 8,800 | 0.318 | Крыху лягчэй чыстай медзі, шырока выкарыстоўваецца для ўстойлівасці да зносу і стомленасці. |
| Свінцова-фосфарная бронза | C54400 | 8.86 | 8,860 | 0.320 | Шчыльнасць застаецца блізкай да медзі; выкарыстоўваецца там, дзе апрацоўваемасць і характарыстыкі падшыпніка маюць значэнне. |
Медна-нікелевы сплаў |
C70600 | 8.94 | 8,940 | 0.323 | Шчыльнасць блізкая да медзі; цэніцца за ўстойлівасць да карозіі, асабліва ў марской службе. |
| Падшыпнік Бронза | C93200 | 8.91 | 8,910 | 0.322 | Па шчыльнасці вельмі блізкі да медзі; распаўсюджаны ў падшыпніках і ўтулках. |
| Алюмініевая бронза | C95200 | 7.64 | 7,640 | 0.276 | Нашмат лягчэй чыстай медзі, з моцнымі характарыстыкамі зносу і карозіі. |
| Алюмініевая бронза | C95400 | 7.45 | 7,450 | 0.269 | Шырока выкарыстоўваная літая алюмініевая бронза з высокай трываласцю і добрай устойлівасцю да карозіі. |
Нікелевая алюмініевая бронза |
C95500 | 7.53 | 7,530 | 0.272 | Падобна іншым алюмініевым бронзам, з выдатнымі марскімі характарыстыкамі. |
| Марганцавая бронза | C86300 | 7.83 | 7,830 | 0.283 | Значна лягчэй, чым чыстая медзь, але ўсё яшчэ моцны для цяжкіх частак. |
| Алюмініевая бронза | C60600 | 8.17 | 8,170 | 0.295 | Лягчэй за медзь, з меншай шчыльнасцю, чым большасць гатункаў латуні і бронзы. |
| алавяная бронза | C81500 | 8.82 | 8,820 | 0.319 | Па шчыльнасці блізкі да медзі, у той час як прапаноўваючы баланс нерухомасці бронзавага тыпу. |
5. Чаму шчыльнасць медзі мае значэнне ў рэальных інжынерных работах
Шчыльнасць медзі некалькімі спосабамі ўплывае на дызайнерскія рашэнні.
Масавая ацэнка
Інжынеры выкарыстоўваюць шчыльнасць, каб вылічыць вагу дэталі з геаметрыі.
Калі медная частка мае вядомы аб'ём, шчыльнасць дазваляе дызайнерам ацаніць масу на ранніх стадыях працэсу праектавання і параўнаць яе з альтэрнатыўнымі матэрыяламі.
Гэта робіць шчыльнасць асноўным параметрам у механічных і вытворчых разліках.
Матэрыяльная замена
Калі канструкцыі патрэбна меншая вага, інжынеры часта параўноўваюць медзь з алюмініем або больш лёгкімі сплавамі.
Таму што медзь больш чым у тры разы шчыльней алюмінію, замена можа рэзка паменшыць масу.
Эталонныя значэнні NIST робяць гэты кантраст відавочным: 8.96 г/мл для медзі супраць 2.70 г/мл для алюмінія.
Цеплавое і электрычнае абсталяванне
Медзь шырока выкарыстоўваецца ў электрычных сістэмах, таму што яна спалучае выдатную праводнасць з кампактным формаў-фактарам.
Яго шчыльнасць не робіць яго лягчэй, але гэта дапамагае растлумачыць, чаму медныя дэталі настолькі эфектыўныя, калі прастора абмежавана і патрабуецца высокая праводнасць.
Britannica вызначае медзь як незвычайна добры праваднік электрычнасці і цяпла, што з'яўляецца адной з прычын, па якой інжынеры працягваюць прымаць пакаранне яго вагі ў многіх прыкладаннях.
Дастаўка і лагістыка
У вытворчасці, шчыльнасць ўплывае на кошт фрахту, звязванне, і планаванне захоўвання. Выраб з медзі можа выглядаць маленькім, але яго вага можа быць значнай адносна яго памеру.
Асабліва гэта актуальна для кабеляў, палоны, трубы, і апрацаваныя кампаненты, якія прадаюцца па даўжыні або аб'ёме.
6. Што ўплывае на шчыльнасць медзі?
Шчыльнасць медзі не ідэальна фіксуецца ў любых умовах. На дакладнае значэнне ўплываюць некалькі фактараў.
Тэмпература
Як медзь становіцца цяплей, ён трохі пашыраецца. Аб'ём павялічваецца, а маса застаецца ранейшай, таму шчыльнасць памяншаецца.
NIST пералічвае лінейны каэфіцыент цеплавога пашырэння медзі 16.66 × 10⁻⁶/k каля 295 К, які паказвае, што медзь вымерна пашыраецца з тэмпературай.
Табліцы Copper Development Association таксама паказваюць фізічныя значэнні медзі ў залежнасці ад тэмпературы, узмацняючы той факт, што шчыльнасць заўсёды павінна інтэрпрэтавацца ў залежнасці ад тэмпературы.
Чысціня
Чыстая медзь і медзь з прымешкамі не заўсёды маюць аднолькавую шчыльнасць. Нават невялікія адрозненні ў складзе могуць трохі зрушыць суадносіны масы і аб'ёму.
Вось чаму ў спецыфікацыях часта ўказваецца «медзь высокай чысціні,»«электралітычная медзь,” ці іншага вызначанага гатунку, а не меркаваць, што кожны медны прадукт ідэнтычны.
Апрацоўка і структура
У шчыльнай каванай медзі, вымераная шчыльнасць павінна заставацца блізкай да эталоннага значэння. Аднак, сітаватасць, пустаты, або вытворчыя дэфекты могуць паменшыць эфектыўную аб'ёмную шчыльнасць гатовага вырабу.
Іншымі словамі, рэальны кампанент можа быць крыху менш шчыльным, чым ідэальная медзь, калі ён утрымлівае ўнутраныя разрывы.
Гэта асабліва важна для адліваных або апрацаваных парашком дэталяў. Гэты момант непасрэдна вынікае з таго, як вымяраецца шчыльнасць рэальных матэрыялаў: аб'ём, які змяшчае пустэчы, спрыяе меншай масе, чым цалкам шчыльны метал.
Легіраванне
Пасля таго, як медзь легіруюць з іншымі элементамі, змяняецца шчыльнасць. Мосенж, бронза, і спецыялізаваныя сплавы медзі могуць быць лягчэйшымі або цяжэйшымі за чыстую медзь у залежнасці ад іх складу.
7. Стандартызаваныя метады вымярэння шчыльнасці медзі
Дакладнае вымярэнне шчыльнасці медзі і медных сплаваў адпавядае міжнародным прамысловым і навуковым стандартам, забеспячэнне паслядоўнасці і даверу:
- Прынцып Архімеда (ASTM B311): Самы распаўсюджаны метад для цвёрдых медных кампанентаў - вымярэнне масы ў паветры і плавучай масы ў дыстыляванай вадзе для разліку аб'ёму і шчыльнасці.
Выкарыстоўваецца для бараў, лістоў, апрацаваныя дэталі, і адліўкі. - Метад пікнометра: Для меднага парашка, гранулы, або порыстыя ўзоры, вымярэнне аб'ёму праз выцясненне вадкасці ў калібраваны пікнометры.
- Газавая пикнометрия: Высокадакладныя навуковыя вымярэнні для ўзораў звышчыстай медзі, выкарыстоўваючы газападобны гелій для вызначэння сапраўднага аб'ёму з дакладнасцю ±0,001 г/см³.
- Выпрабаванне аб'ёмнай шчыльнасці: Для порыстай медзі або дэталяў парашковай металургіі, вымярэнне агульнай масы і геаметрычнага аб'ёму для разліку ўяўнай насыпной шчыльнасці.
Усе прамысловыя вымярэнні стандартызаваны да 20°C для ліквідацыі памылак, выкліканых тэмпературай.
8. Дзе шчыльнасць медзі найбольш важная
Шчыльнасць медзі гуляе практычную ролю ў многіх галінах прамысловасці.
Электратэхніка
Медзь шырока выкарыстоўваецца ў правадах, аўтобусныя бары, раздымы, маторы, і размеркавальныя прылады. Яго праводнасць робіць яго каштоўным, у той час як яго шчыльнасць ўплывае на канструкцыю корпуса і структурную падтрымку.
Цеплавыя сістэмы
Цеплаабменнікі, радыятары, а астуджальныя кампаненты часта залежаць ад медзі, таму што яна эфектыўна перадае цяпло. Шчыльнасць мае значэнне, таму што гэтыя сістэмы павінны збалансаваць цеплавыя характарыстыкі з масай.
Механічная вытворчасць
Апрацаваныя медныя дэталі, арматура, і трубкі патрабуюць дакладных дадзеных аб шчыльнасці для калькуляцыі, звязванне, і планаванне зборкі.
Транспарт і касманаўтыка
Адчувальныя да вагі галіны часта беражліва ставяцца да медзі, таму што яна можа хутка павялічыць агульную масу сістэмы. Інжынеры могуць выбіраць больш лёгкія матэрыялы, калі гэта дазваляюць патрабаванні да электраправоднасці.
Электраэнергетычныя сістэмы
Медзь застаецца важнай для трансфарматараў, генератары, і электрычная інфраструктура, таму што прадукцыйнасць часта важней адной толькі вагі.
9. Распаўсюджаныя памылкі аб шчыльнасці медзі
«Шчыльнасць медзі роўна аднаму фіксаванаму ліку».
Не зусім. Значэнне нязначна змяняецца з тэмпературай, чысціня, і метад вымярэння.
«Усе матэрыялы на аснове медзі маюць аднолькавую шчыльнасць».
Хлусня. Мосенж, бронза, і спецыялізаваныя сплавы медзі могуць істотна адрознівацца.
«Шчыльнасць раскажа вам усё пра матэрыял».
Гэта не так. Важная шчыльнасць, але праводнасць, моц, Каразія супраціву, паводзіны стомленасці, і кошт таксама крытычныя.
«Больш шчыльны матэрыял заўсёды лепш».
Неабавязкова. У лёгкіх сістэмах, высокая шчыльнасць можа быць недахопам, нават калі матэрыял добра працуе ў іншых адносінах.
10. Чаму інжынеры ўсё яшчэ выкарыстоўваюць медзь, нягледзячы на яе шчыльнасць
Медзь шчыльная, але ён застаецца адным з самых каштоўных металаў у машынабудаванні. Прычына - баланс.
Інжынеры часта прымаюць штраф па вазе, таму што медзь прапануе рэдкае спалучэнне уласцівасцей:
- выдатная электраправоднасць
- Выдатная цеплаправоднасць
- Добрая ўстойлівасць да карозіі
- правераная трываласць
- моцная прамысловая даступнасць
- простае злучэнне і выраб у многіх прыкладаннях
Карацей кажучы, медзь не выбіраюць, таму што яна лёгкая. Ён выбраны таму, што ён працуе выключна добра, калі праводнасць і надзейнасць маюць большае значэнне, чым маса.
11. Параўнальная шчыльнасць: Медзь супраць. Звычайныя металы
| Метал | Тыповая шчыльнасць (G/CM³) | Тыповая шчыльнасць (кг/м³) | Тыповая шчыльнасць (фунт/дзюйм³) | Адносна Меднага | Ноты |
| Copper | 8.96 | 8,960 | 0.324 | Базавая лінія | Шчыльны, высокаправодны, і шырока выкарыстоўваецца ў электрычных і цеплавых прыкладаннях. |
| Алюміній | 2.70 | 2,700 | 0.098 | Нашмат лягчэй | Звычайная лёгкая замена, калі прыярытэтам з'яўляецца зніжэнне масы. |
| Магній | 1.74 | 1,740 | 0.063 | Нашмат лягчэй | Адзін з самых лёгкіх канструкцыйных металаў, якія шырока выкарыстоўваюцца. |
| Сталь (вугляродная сталь) | 7.85 | 7,850 | 0.284 | Крыху святлей | Блізка да медзі ў абсалютным адчуванні, але ўсё ж прыкметна менш шчыльны. |
З нержавеючай сталі 304 |
8.00 | 8,000 | 0.289 | Крыху святлей | Часта выкарыстоўваецца там, дзе патрабуецца ўстойлівасць да карозіі з сярэдняй шчыльнасцю. |
| Жалеза | 7.87 | 7,870 | 0.284 | Крыху святлей | Асноўны метал для сталі, з шчыльнасцю ледзь ніжэй медзі. |
| Тытан | 4.51 | 4,510 | 0.163 | Нашмат лягчэй | Моцны да вагі эфектыўны, асабліва ў аэракасмічных і медыцынскіх мэтах. |
| Нік | 8.90 | 8,900 | 0.322 | Крыху святлей | Па шчыльнасці блізкі да медзі, часта выкарыстоўваецца ў высокапрадукцыйных сплавах. |
Цынк |
7.14 | 7,140 | 0.258 | Запальнічка | Распаўсюджаны ў цынкаванні і ліцці пад ціскам сплаваў. |
| Кіраваць | 11.34 | 11,340 | 0.410 | Нашмат цяжэй | Гусцей за медзь, але значна менш карысна структурна. |
| Серабро | 10.49 | 10,490 | 0.379 | Больш цяжкі | Шчыльней медзі і значна даражэй, хоць і высокаправодны. |
| Золата | 19.30 | 19,300 | 0.698 | Нашмат цяжэй | Надзвычай шчыльны і выкарыстоўваецца ў асноўным там, дзе кошт і хімічная стабільнасць апраўдваюць гэта. |
12. Conclusion
За шчыльнасць медзі звычайна прымаюць каля 8,94–8,96 г/см³ пры пакаёвай тэмпературы. Гэта значэнне ставіць медзь у лік больш шчыльных распаўсюджаных інжынерных металаў, значна вышэй за алюміній і крыху вышэй за нержавеючую сталь.
З інжынернага пункту гледжання, шчыльнасць медзі мае значэнне, таму што яна ўплывае на масу, лагістыка, выбары замены, і структурнае праектаванне.
Аднак сама па сабе шчыльнасць ніколі не раскажа ўсёй гісторыі. Медзь застаецца важнай, таму што яна спалучае адносна высокую шчыльнасць з выдатнай электра- і цеплаправоднасцю, моцная ўстойлівасць да карозіі, і сталыя прамысловыя ланцужкі паставак.
