Низкая плотность алюминия как главное физическое свойство металла. Алюминиевые сплавы

Металлические материалы в современном мире используются повсеместно, начиная от бытовой техники, и заканчивая самолетостроением и космической промышленностью. Одним из распространенных металлов в использовании является алюминий. В статье раскроем вопрос, какое свойство этого металла обусловило его повсеместное использование. Ответ на этот вопрос кроется в плотности алюминия.

Что такое алюминий?

Речь идет о 13 элементе в таблице Менделеева, который находится в 3-м периоде. Он имеет атомную массу 26,982 и валентность III. При нормальных условиях алюминий является твердым веществом, серебристого цвета. На воздухе он легко окисляется, образуя прочную пленку Al₂O₃. Именно она предотвращает дальнейшее коррозионное разрушение металла. Пленка остается устойчивой вплоть до температуры плавления, которая является невысокой и составляет всего 660 ^oC.

Популярность использования этого металла для производства металлических конструкций и технических деталей связана с двумя важными факторами:

• низкой плотностью алюминия в сравнении со сталью;
• высокой коррозионной стойкостью на воздухе.

Кроме того, следует отметить, что рассматриваемый элемент является третьим по распространенности в земной коре, после кислорода и кремния, и первый среди металлов.

Основные физико-химические свойства металла

Поскольку алюминий содержит на внешнем электронном уровне 3 свободных электрона, то он является довольно активным металлом и проявляет в химических реакциях валентность III. Например, процесс окисления происходит по следующей реакции:

4Al + 3O₂ -> 2Al₂O₃.

Что касается физических свойств, то следует отметить высокую тепло- и электропроводность металла. Хотя алюминий проигрывает по указанным показателям меди, тем не менее его относительно низкая плотность приводит к повсеместному использованию алюминия в качестве основы для линий электропередач, где важна масса провода.

Плотность алюминия при комнатной температуре приблизительно составляет 2 700 кг/м³. Это означает, что данный металл практически в три раза легче стали. Этот факт позволяет использовать сплавы на основе алюминия в самолетостроении, в производстве космической техники и спортивных машин с облегченным весом.

Откуда получают алюминий в промышленных масштабах?

В земной коре около 8 % массы - это алюминий. Тем не менее в природе в чистом состоянии металл практически не встречается. Находится он в основном в силикатах, оксидах и гидроксидах. Одним из гидроксидов является осадочный минерал боксит, из которого во всем мире в основном добывают чистый алюминий. Ввиду высокой реакционной способности металла, его удается извлечь из химических соединений только в результате электролиза. Этот процесс сопровождается большими затратами электроэнергии, что повышает себестоимость производства металла. Однако его производство окупается за счет повсеместной доступности боксита и низкой себестоимости вторичной переработки металла.

Удельный вес алюминия

Согласно определению, под удельным весом понимают массу тела, которая приходится на единицу его объема. То есть речь идет о плотности материала. Выше мы уже упоминали, что плотность алюминия в 3 раза ниже, чем у стали. Точное значение его плотности при комнатной температуре составляет 2 698,4 кг/м³. Иными словами, металл тяжелее воды в 2,7 раза.

Плотность любого металлического материала можно рассчитать теоретическим способом. Для этого следует знать атомную массу элемента, тип его кристаллической решетки и расстояние между атомами в ней. В нашем случае имеем так называемую гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, которая сохраняется у алюминия во всех температурных областях существования его твердой фазы при атмосферном давлении. Ниже показан рисунок, где приводится пример ГЦК кристаллической решетки.

Как видим, кубик, образованный 8 атомами в его вершинах, содержит еще 6 атомов в центре каждой квадратной грани. Поскольку из таких маленьких кубиков с параметром решетки 4,05 ангстрем состоит макроскопический кристалл, то на один кубик приходится 4 целых атома.

Напомним, что плотность веществ определяется по следующей математической формуле:

ρ = m/V.

Применяя ее для ГЦК алюминия, и учитывая приведенную выше информацию, получаем:

ρ = 4 × m_Al / (a³).

Здесь m_Al - масса алюминиевого атома, a - параметр решетки.

Подставляя известные значения m_Al и a, приходим к ответу: ρ = 2 697 кг/м³, что отлично согласуется с экспериментальным значением.

Заметим, поскольку при увеличении температуры происходит значительное расширение металла, то его плотность снижается на несколько процентов.

Сплавы алюминия

Сам по себе рассматриваемый металл является довольно мягким и непрочным. Его твердость по шкале Мооса составляет 3, а прочность на разрыв не превышает 200 МПа. Такие низкие показатели прочности ограничивают его использование в качестве конструкционного материала. Однако уже небольшое количество примесей других элементов способно кардинально изменить физические свойства металла. Так, добавка всего нескольких процентов меди и соответствующая термическая обработка повышают его сопротивление на разрыв в 2 раза.

Все сплавы на основе алюминия обладают более высокими механическими свойствами, включая способность к механической и термической обработке. Однако понижается коррозионная стойкость металла. Основными элементами, которые добавляют в алюминий, являются медь, магний, марганец, железо, кремний и цинк. С ними атомы алюминия образуют упрочняющие фазы.

Классификация сплавов

Для классификации рассматриваемых сплавов во всем мире используют четырехзначные цифры, причем первая цифра говорит об основной (фазообразующей) добавке к алюминию. Существуют следующие марки:

• 1XXX - на 99% чистый металл с добавками Fe и Si;
• 2XXX - сплавы с медью для самолетной промышленности;
• 3XXX - добавка марганца (производство алюминиевых банок для напитков);
• 4XXX - добавка кремния;
• 5XXX - сплав с магнием;
• 6XXX - добавки магния и кремния;
• 7XXX - сплавы с цинком и магнием для производства различных конструкций самолетов;
• 8XXX - другие элементы.