Tetthet av stål og metaller (ρ) er en av de grunnleggende fysiske egenskaper til materialerBestemmer forholdet mellom masse og volum og lar deg beregne massen til en stang, plate, rør, ring eller smiing uten å måtte veie hver enkelt gjenstand. For typiske konstruksjonsstål er omtrent 7,85 g / cm³ (7850 kg/m³), for austenittisk rustfritt stål omtrent 7,9–8,0 g/cm³, for dupleks 2205 omtrent 7,8 g/cm³, og for nikkellegering legering 625 omtrent 8,44 g/cm³.
Forskjeller på noen få prosent kan være betydelige i kostnadsestimering, transport, valg av lastekapasitet, beregninger av strukturell vekt og bestemmelse av produksjonspartivekt. Nøyaktig design bruker verdier tildelt spesifikke materialkvaliteter og -forhold; typiske verdier er vanligvis tilstrekkelige for foreløpige beregninger.
Den viktigste regelen: en tetthet på 7,85 g/cm³ er en praktisk veiledende verdi for mange konstruksjonsstål, men er ikke en universell tetthet for alle stål og legeringerFor kvaliteter rike på nikkel, krom og molybden, og for porøse materialer, bør passende materialdata brukes.
Hva er metalltetthet og hvordan beregner man den?
Tetthet (masse per volum) uttrykker mengden masse som finnes i et gitt volum. Definisjonen skrives som ρ = m / V, hvor ρ er tettheten, m er massen og V er volumet. Etter transformasjonen får vi to nyttige formler: m = ρ × V oraz V = m / ρ.
Den grunnleggende enheten i SI-systemet er kg / m³I metallurgi og tekniske datablader er det svært vanlig å finne g / cm³ eller en numerisk ekvivalent enhet kg/dm³For enhetsmasse av kommersielle produkter brukes også kg/m² og kg/m²; disse er imidlertid avledede verdier, avhengig av dimensjoner og tetthet, og ikke enheter for selve tettheten.
| Størrelse | Opptak | Betydning |
|---|---|---|
| Gęstość | ρ = m/V | Masse per volumenhet. |
| Mass | m = ρV | Beregning av masse fra volum og tetthet. |
| Volum | V = m/ρ | Beregning av volum fra masse. |
| Enhetskonvertering | 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ | F.eks. 7,85 g/cm³ = 7850 kg/m³. |
| Spesifikt volum | v = 1/ρ | Volum per masseenhet; enhet m³/kg. |
| Spesifikk tyngdekraft | γ = ρg | Tyngdekraften per volum, i N/m³; ikke det samme som tetthet. |
Tetthet bør ikke forveksles med spesifikk tyngdekraft. En masse på 10 kg forblir den samme uavhengig av den lokale gravitasjonsakselerasjonen, men vekt som kraft avhenger av verdien av g. På samme måte relativ tetthet lub spesifikk tyngdekraften betegner vanligvis relativ tetthet i forhold til et referansestoff og er en dimensjonsløs størrelse.
Tetthetstabell for konstruksjonsstål, rustfritt stål og varmebestandig stål
Følgende er omtrentlige verdier for faste materialer ved omtrent romtemperatur, vanligvis rundt 20 °C. Tallene som er oppgitt er ment som et vektestimat. Partiverdier kan variere noe på grunn av kjemisk sammensetning, tilstand og produsentens avrunding.
| Gruppe / art | Tetthet g/cm³ | Tetthet kg/m³ | Kommentarer |
|---|---|---|---|
| Karbonkonstruksjonsstål, f.eks. C45 | 7,85 | 7850 | Typisk verdi for masseberegninger. |
| Legert stål 42CrMo4 / 1.7225 | ca 7,85 | ca 7850 | Omtrent likt konstruksjonsstål. |
| Austenittisk stål 1.4301 / AISI 304 | ca 7,90 | ca 7900 | Produsentkortene viser også rundt 8,00. |
| Austenittisk stål 1.4404 / AISI 316L | ca 8,00 | ca 8000 | Høyere enn typisk karbonstål. |
| Ferritisk stål 1.4016 / AISI 430 | ca 7,70 | ca 7700 | Omtrentlig verdi for ferrittisk familie 430. |
| Dupleks stål 1.4462 / 2205 | 7,80 | 7800 | Data for SAF 2205. |
| Superduplex stål 1.4410 / 2507 | 7,80 | 7800 | Data for SAF 2507. |
| Varmebestandig stål 1.4835 / 253 MA | ca 7,80 | ca 7800 | Avhenger av materialkortet. |
Verdiene for 304/304L, 316L og duplex kan sammenlignes direkte basert på produsentens data: Alleima 3R12 (304/304L), Alleima 3R60 (316L) oraz SAF 2205Andre smelter og produsenter kan bruke litt forskjellige avrundede verdier.
Tetthet av nikkel, jern og ikke-jernholdige legeringer
Nikkellegeringer har ofte høyere tetthet enn konstruksjonsstål, noe som er viktig når man prissetter stenger, smigods og komponenter med stor profil. Nikkelinnholdet alene tillater imidlertid ikke bestemmelse av tetthet: resultatet bestemmes av hele den kjemiske sammensetningen, faseforholdene og temperaturen.
| materiale | Tetthet g/cm³ | Praktisk betydning |
|---|---|---|
| Legering 625 / 2.4856 / N06625 | 8,44 | Stangens masse er omtrent 7,5 % større enn stålets masse med ρ = 7,85. |
| Legering 718 / 2.4668 / N07718 | ca 8,19 | Verdi for glødet tilstand; kan variere noe med tilstanden. |
| Legering 825 / 2.4858 / N08825 | 8,14 | Viktig i masseberegninger av Ni–Fe–Cr-legeringer. |
| Nikkel 200/201 | ca 8,89 | Teknisk sett er ren nikkel tyngre i volum enn stål. |
| Invar 36 / FeNi36 | ca 8,05 | Kjent først og fremst for sin lave termiske ekspansjon. |
| Jern Fe, ren | ca 7,87 | Omtrentlig verdi for fast jern. |
| Aluminium Al, ren | ca 2,70 | Lettere enn de fleste ståltyper. |
| Titan Ti, czysty | ca 4,51 | Lavere tetthet enn stål. |
| Kobber Cu, ren | ca 8,96 | Høyere tetthet enn typiske ståltyper. |
Data om nikkellegeringer inkluderer verdier publisert av Special Metals: INCONEL legering 625, INCONEL legering 718 i INCOLOY-legering 825Dataene for Invar 36 er veiledende; verdier fra produsentens dokumentasjon for den spesifikke legeringen brukes.
Produktsammenligning: To stenger med lik diameter og lengde, laget av C45-stål og legering 625, vil ha samme volum, men ulik masse. Forskjellen skyldes materialets tetthet, ikke noen forskjell i geometri. Derfor bør ikke konverteringsfaktoren på 7,85 kg/dm³ automatisk brukes når man siterer nikkellegeringer.
Hvordan beregne massen til en stang, plate, rør og flat stang?
Beregn først volumet av det faktiske materialet og multipliser det deretter med tettheten. Hvis alle dimensjoner er gitt i millimeter, blir formler som direkte gir masse i kilogram praktiske. I følgende forhold ρ er tettheten i g/cm³Lengden L for stenger og rør uttrykkes i meter.
| Produkt | Formel for masse | dimensjoner |
|---|---|---|
| Rundstang | m = 0,000785398 × D² × L × ρ | D – diameter mm; L – lengde m. |
| Firkantstang | m = 0,001 × a² × L × ρ | a – side mm; L – lengde m. |
| Rektangulær flat stang | m = 0,001 × a × b × L × ρ | a, b – mål i mm; L – lengde m. |
| Platemetall | m = A × t × ρ | A – areal i m²; t – tykkelse i mm. |
| Rundt rør | m = 0,000785398 × (D² − d²) × L × ρ | D, d – ytre og indre diameter mm; L – lengde m. |
| Solid ring med rektangulært tverrsnitt | m = 0,000000785398 × (D² − d²) × h × ρ | D, d, h i mm; verdi i kg. |
Merk: I formelen for metallplater er arealet A i m² og tykkelsen t er i mm, fordi med tetthet uttrykt i g/cm³ gir disse enhetene massen i kilogram. For rør må den indre diameteren d = D − 2t, hvor t er veggtykkelsen, være kjent. De geometriske beregningene tar ikke hensyn til toleranser, stigerør, skala, avfasninger, spor eller maskineringstap.
Eksempel 1. Stålstang Ø50 × 6000 mm
For en rund stang med diameter D = 50 mm, lengde L = 6 m og tetthet ρ = 7,85 g/cm³: m = 0,000785398 × 50² × 6 × 7,85 ≈ 92,48 kgEn tilsvarende stang laget av stål 304 (ρ = 7,90) vil veie omtrent 93,07 kg, og en laget av legering 625 (ρ = 8,44) omtrent 99,43 kg.
Eksempel 2. Metallplate 2000 × 1000 × 10 mm
Metallplatens overflate er 2 m². For ρ = 8,00 g/cm³ vil den teoretiske massen være m = 2 × 10 × 8,00 = 160 kgFor en identisk plate av legering 625, med en tetthet på 8,44 g/cm³, er resultatet 168,8 kgForskjellen på 8,8 kg for ett stykk blir betydelig med en større bestilling.
Eksempel 3. Rør Ø60 × 5 mm, lengde 1 m
Den indre diameteren er d = 60 − 2 × 5 = 50 mm. For 316L stål med ρ = 8,00 g/cm³: m = 0,000785398 × (60² − 50²) × 1 × 8,00 ≈ 6,91 kgI praksis er resultatet teoretisk, ettersom den faktiske veggtykkelsen og diameteren kan være innenfor tillatte toleranser.
| materiale | Stang Ø50 × 6 m | Metallplate 2 × 1 m, 10 mm tykk |
|---|---|---|
| C45; ρ = 7,85 | 92,48 kg | 157,00 kg |
| 304; ρ = 7,90 | 93,07 kg | 158,00 kg |
| 316L; ρ = 8,00 | 94,25 kg | 160,00 kg |
| 2205; ρ = 7,80 | 91,89 kg | 156,00 kg |
| Legering 625; ρ = 8,44 | 99,43 kg | 168,80 kg |
Kommersielle tilbud inkluderer også: valsede stenger, smidde stenger, smiing med åpen dyse i ark i forskjellige formerNår man beregner massen til en uregelmessig smiing, kan geometrien til emnet med kvoter avvike betydelig fra dimensjonene til den endelige delen.
Hvorfor har forskjellige ståltyper ulik tetthet?
Tettheten til en legering bestemmes ikke utelukkende av tettheten til det primære elementet. Atomfraksjoner, atommasser, måten atomene er pakket i krystallgitteret, størrelsen på enhetscellen og tilstedeværelsen av forskjellige faser spiller også en rolle. I stål endrer tilsetninger som krom, nikkel, molybden, mangan og silisium både den kjemiske sammensetningen og strukturen; effekten kan være en økning eller reduksjon i tetthet i forhold til en annen kvalitet.
Derfor fører ikke tilsetning av et element som er tyngre enn jern nødvendigvis til en proporsjonal økning i tettheten til det totale materialet. For eksempel har dupleksstål, som inneholder betydelige mengder krom og nikkel, ofte en tetthet på rundt 7,8 g/cm³, og austenittisk 316L rundt 8,0 g/cm³. For flerkomponents nikkellegeringer er det mer pålitelig å bruke materialdatablad enn å beregne tetthet basert på enkel gjennomsnittsberegning av sammensetningen.
Po herding, løsningsvarmebehandling, aldring eller plastisk deformasjon Små volumendringer kan oppstå på grunn av fasetransformasjoner, endringer i gitterparametere og strukturelle defekter. Det bør imidlertid ikke antas at valsing eller smiing alene endrer materialets masse: i fravær av tap forblir massen konstant, og formendringen skyldes primært metallflyt.
Effekten av temperatur på tettheten til stål og metaller
Når temperaturen øker, utvider de fleste faste metaller seg, og tettheten deres avtar. Dette er relatert til lineær ekspansjonskoeffisient og volumetrisk ekspansjon. For et lite temperaturområde og et isotropisk materiale kan man omtrent anta β ≈ 3α, hvor β er den volumetriske ekspansjonskoeffisienten.
ρ(T) ≈ ρ(T₀) / [1 + β × (T − T₀)] — dette er en forenklet notasjon for et lite temperaturområde, når β kan anses som konstant. For store temperaturendringer er det mer nøyaktig å bruke den faktiske materialutvidelseskurven og produsentens data, i stedet for en enkelt konstant koeffisientverdi.
For eksempel, hvis vi antar at ρ(20 °C) = 7,90 g/cm³ for austenittisk stål og gjennomsnittlig α = 16,5 × 10⁻⁶/K, gir estimeringen ved 220 °C β ≈ 49,5 × 10⁻⁶/K og en tetthet på omtrent 7,82 g / cm³Dette er bare et eksempel som viser endringsretningen, ikke en verdi for utformingen av en spesifikk trykkanordning.
Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot strukturelle endringer, som austenittisering av stål og størkning. Tetthetsendringer i disse tilstandene kan ikke alltid beskrives nøyaktig med en enkel, lineær utvidelseskoeffisient. Disse fenomenene er viktige innen støperiteknikk, varmebehandling og design av komponenter som opererer ved variable temperaturer.
Sann, bulk og bulktetthet – forskjeller
Avhengig av metallets produksjonsmetode kan ordet «tetthet» referere til forskjellige mengder. For en valset stang eller et solid smiemne brukes oftest tettheten til det solide materialet. For et porøst støpegods, metallpulver eller sinter, er en mer presis definisjon av måletypen nødvendig.
| snill | Hva inkluderer det? | Typisk bruk |
|---|---|---|
| Tetthet av fast materiale | Masse delt på volumet av den faste fasen eller det praktisk talt ikke-porøse produktet. | Stenger, plater, rør, smigods. |
| Produktets bulktetthet | Masse delt på prøvens ytre volum, inkludert porer og hulrom. | Sintere, porøse støpegods, cellestrukturer. |
| Skjeletttetthet | Volumet av det faste skjelettet bestemt ved en passende metode, f.eks. gasspyknometri. | Metallpulver og porøse materialer. |
| Bulktetthet | Pulverets masse delt på volumet av pulverlaget inkludert de frie mellomrommene mellom kornene. | Pulvermetallurgi, 3D-printing fra pulver. |
| Tetthet etter komprimering | Verdien som oppnås etter en spesifikk komprimerings- eller fortettingsoperasjon av pulveret. | Kontroll av pulvertilførsel og pakking. |
Bulktettheten til rent nikkelpulver kan være betydelig lavere enn for fast nikkel; dette innebærer ikke en endring i selve korntettheten. For hule konstruksjoner, som rør eller hule profiler, brukes materialtettheten og volumet av den faktiske veggen, ikke hele det ytre volumet, til å bestemme enhetsvekten.
Hvordan måles tettheten til metaller?
I industriell praksis bestemmes tetthet enklest ved å veie prøven og måle volumet nøyaktig. En metode som er egnet for et enkelt, fast legeme, er ikke nødvendigvis egnet for en prøve med kompleks form og porøsitet. Prøvetemperatur, overflatens renhet, eventuelle luftbobler og instrumentets kalibreringsnøyaktighet er alle viktige hensyn.
- Geometrisk måling – veiing av elementet og bestemmelse av volumet fra de målte dimensjonene; enkelt for stenger og sylindere, men følsomt for toleranser og ruhet.
- Hydrostatisk metode (Arkimedes) – bestemmelse av volum basert på væskens oppdrift; krever at man tar hensyn til væskens tetthet og spesielle prosedyrer for åpne porer.
- Gasspyknometri – brukes blant annet til å bestemme skjeletttettheten til pulver, basert på volumet målt med en gass.
- Røntgenmetoder og strukturanalyser – kan tillate beregning av krystallografisk tetthet fra gitterparametere og enhetscellesammensetning.
Måleresultatet bør inkludere enhet, temperatur og testforhold. For porøse materialer bør det angis om det ble testet bulktetthet, skjeletttetthet eller en annen parameter. Det finnes ingen enkelt metode som er egnet for alle metalliske materialer.
Standarder for bestemmelse av metalltetthet
Metoden bør velges basert på prøvens form og porøsitet. Noen standarder omhandler pulvermetallurgi og sementerte karbider spesifikt, ikke alle stang- eller platetyper. Materialstandarder, for eksempel for spesifikke stålkvaliteter, erstatter ikke måleprosedyren.
| regelen | Område | Når er det nyttig? |
|---|---|---|
| ISO 3369: 2006 | Ugjennomtrengelige metallsintrede metaller og sementerte karbider. | Måling av tettheten til visse sintrede materialer. |
| ASTM B311-22(2026) | Pulvermetallurgiske materialer med porøsitet under 2 % og sementerte karbider. | Vannforskyvningstest i samsvar med standarden. |
| ASTM B962-23 | Komprimerte og sintrede pulvermetallurgiprodukter. | Bestemmelse av tetthet ved hjelp av Archimedes-metoden, under hensyntagen til porøsitet. |
| ASTM B923-23 | Skjeletttetthet av metallpulver ved He/N₂-pyknometri. | Kjennetegn ved metallpulver. |
For standard, massive stålprodukter brukes oftest tetthetsverdien fra materialdatabladet og nominelle dimensjoner til å bestemme kommersiell vekt, i stedet for en separat laboratorietetthetstest for hvert stykke. Hvis kunden krever laboratoriebekreftelse, må metode, betingelser og akseptkriterier avtales på forhånd.
Hvor er det viktigst å vite tettheten til stål?
- Beregning av priser og forsendelsesvekter – for stenger, plater, rør, emner og smigods oppgis materialprisen noen ganger i PLN/kg eller EUR/kg, slik at en feil i tettheten endrer kostnaden for hele bestillingen.
- Logistikk og transport – valg av løftekapasitet for kran, slynger, gaffeltruck og reollastkapasitet.
- Enhetsdesign – masse av roterende elementer, treghet, last på støtter, dynamiske egenskaper til konstruksjonen.
- Produksjon av smivarer – estimering av partiets masse med hensyn til kvoter, teknologiske tap og tap under bearbeiding.
- Støperi og pulvermetallurgi – bestemmelse av batchvolum, krymping, komprimeringsgrad og porøsitet.
- Artsutvalg – sammenligning av den spesifikke vekten til produkter laget av konstruksjonsstål, austenittisk stål, dupleksstål og nikkellegeringer med identisk geometri.
Tetthet er viktig, men det avgjør ikke et materiales egnethet for en spesifikk anvendelse. Designeren analyserer også mekaniske egenskaper, korrosjonsbestandighet, driftstemperatur, produksjonsteknologi og krav til produktstandarder. Et materiale som er lettere i volum betyr ikke nødvendigvis at det er mer økonomisk eller mer holdbart under gitte forhold.
De vanligste feilene i beregninger av stålvekt
| Feil | Effekt | Den riktige tilnærmingen |
|---|---|---|
| Aksept på 7,85 for hvert stål og legering | Undervurdering av masse, f.eks. legering 625. | Bruk riktig tetthet for arten. |
| Forveksle g/cm³ med kg/m³ | Feilfaktor 1000. | 1 g/cm³ = 1000 kg/m³. |
| Mangler et hull i et rør eller en ring | Overvurdert masse. | Trekk fra volumet av tomrommet. |
| Utelatelse av smiegodtgjørelse | Undervurdering av innsatsmengden. | Beregn geometrien til den rå smiingen, ikke bare nettet. |
| Bruk av en verdi på 20 °C ved høy temperatur uten å sjekke | Feil volumdata. | Ta hensyn til ekspansjon og faseendringer. |
| Forutsatt tettheten av fast metall for porøs sinter | Overvurdert faktisk delvekt. | Vurder porøsitet og passende type tetthet. |
Tetthet av stål og metaller – ofte stilte spørsmål (FAQ)
Hva er tettheten til stål?
For mange konstruksjonsstål brukes en veiledende verdi på 7,85 g/cm³, eller 7850 kg/m³. Denne verdien gjelder ikke automatisk for alle kvaliteter.
Har rustfritt stål en annen tetthet enn vanlig stål?
Ja. Typisk 304 rustfritt stål er omtrent 7,90 g/cm³, og 316L er omtrent 8,00 g/cm³. Vektforskjeller mellom komponenter med samme dimensjoner skyldes sammensetning og struktur.
Hva er tettheten til 2205 dupleksstål?
For stål av typen 1.4462 / SAF 2205 oppgis vanligvis omtrent 7,8 g/cm³, eller 7800 kg/m³.
Hva er tettheten til superdupleks 2507?
For 1.4410 / UNS S32750 / SAF 2507 er det gitt en typisk verdi på 7,8 g/cm³.
Hva er tettheten til Inconel 625?
Legering 625 / UNS N06625 har en typisk tetthet på 8,44 g/cm³, eller 8440 kg/m³.
Veier legering 718 det samme som legering 625?
Nei. Legering 718 er oppgitt til omtrent 8,19 g/cm³ i glødet tilstand, og legering 625 er oppgitt til omtrent 8,44 g/cm³. For samme volum vil legering 625 være tyngre.
Endrer tettheten til stål seg med temperaturen?
Ja. Den avtar vanligvis ved oppvarming på grunn av termisk ekspansjon. Nær faseoverganger kan forholdet være mer komplekst.
Øker smiing tettheten til stål?
I et fullstendig fast materiale endrer smiing primært form og struktur; det fører ikke til en vilkårlig økning i tetthet. I et initialt porøst materiale kan prosessen redusere poreinnholdet og øke bulktettheten.
Er spesifikk vekt og tetthet det samme?
Nei. Tetthet er masse delt på volum, og spesifikk tyngdekraft er tyngdekraften per volumenhet.
Hvordan beregne massen til en meter rundstang?
For en diameter D i mm og en tetthet ρ i g/cm³ er massen til 1 m 0,000785398 × D² × ρ kg.
Hvordan beregne vekten av en kvadratmeter metallplate?
For en tykkelse på t mm og en tetthet på ρ g/cm³ er massen til 1 m² metallplate t × ρ kg. For 3 mm og 7,85 g/cm³ er den 23,55 kg/m².
Må 3.1-sertifikatet inkludere tetthet?
Det finnes ikke et slikt universelt krav for alle produktstandarder. Omfanget av resultatene på inspeksjonsdokumentet bestemmes av den relevante spesifikasjonen og avtalte tester.
Reduserer porøsitet tettheten?
Vanligvis reduserer det produktets bulktetthet hvis det ytre volumet inneholder hulrom. Dette bør ikke forveksles med tettheten til det solide rammematerialet.
Hvorfor er det verdt å bruke tettheten fra produsentens kort når man beregner nikkellegeringer?
Nikkellegeringer varierer i sammensetning. Selv tilsynelatende like kvaliteter kan ha ulik tetthet, noe som påvirker vekten og verdien av forsendelsen.
summering
Tetthet er en grunnleggende parameter ved beregning av massen til stålprodukter og evaluering av byggematerialer. De fleste innledende beregninger bruker 7,85 g/cm³ for standardstål, men kvalitetsspesifikke verdier er nødvendige for austenittisk rustfritt stål, dupleksstål og nikkellegeringer. Tetthetsforskjeller blir spesielt betydelige for store tverrsnitt, smiinger og bestillinger målt i tonn.
Et korrekt resultat krever samtidig bestemmelse av materialtype, tetthet, faktisk geometri og temperatur. Når det gjelder pulver og sinter, er det også nødvendig å bestemme hvilken type tetthet som måles.