影响密度的因素及其作用

1.合金组分的影响

在合金中对密度影响最大的因素是组分的性质和含量。当两种或两种以上的金属组成合金时，其密度将随各组分含量的不同而发生变化。通常组分的密度越大，合金的密度也越大，高密度的组分含量越大，合金密度也随之增大。某些二元合金的密度与组分的关系如图2-1所示。由图2-1可见，合金的密度随组分含量的变化具有单调函数的性质。大多数金属材料由固溶体组成，或以固溶体为基，其上分布一定的金属间化合物。固溶体保留有溶剂金属的晶格结构，但由于溶质原子的溶入，点阵常数要发生变化，其变化遵从费加定律。该定律假定固溶体的点阵常数随原子浓度呈线性变化。

图2-1 合金密度随成分的变化曲线

1—Au-Ag　2—Au-Pt　3—Ag-C（石墨） 4—Ag-Ni　5—Ag-Cu　6—Ag-Mo 7—Ag-Pd　8—Ag-W　9—Pt-Co　10—Pt-Rh　11—Pt-Ir

当金属元素之间的相互作用加强时，常形成金属间化合物或中间相。它们的密度与组分的相对原子质量、化合物的分子式以及结构有关。钢的密度在杂质（碳或其他元素）浓度比较小的情况下有如下线性关系：

ρ=ρ₀+xΔρ （2-5）

式中 ρ——钢的密度，单位为kg/m³；

ρ₀——纯铁的密度，单位为kg/m³；

x——杂质的质量分数（%）；

Δρ——增加1%（质量分数）的杂质对钢密度的影响值，单位为g/cm³，如表2-1所示。

表2-1 每1%（质量分数）的杂质对钢密度的影响

2.工艺过程的影响

金属材料在制备过程中，通常要进行冶炼、压力加工和热处理。这些工艺过程对金属材料密度的影响十分复杂。

1）金属及合金的铸件经过冷加工或热加工后，密度往往会增加。这是由于铸件中的孔隙、气泡和缩孔等宏观缺陷在压力作用下产生固结所致。而致密金属在大的压缩比下冷加工时密度会减小，这是由于冷加工使空间点阵发生畸变，导致了金属内部的空位和位错密度增加，从而降低了密度。图2-2表示w（C）为0.07%的铁的密度与形变程度的关系，当对加工后的金属材料进行加热时，因回复和再结晶又可使其密度提高，并能恢复到原来的数值。

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图2-2 铁的密度与形变的关系

2）金属材料经过不同的热处理后，可得到不同的显微组织。它的密度随显微组织的变化而变化。例如，钢在从奥氏体到马氏体的一系列多型转变时，密度逐步减小。在马氏体转变点密度的减小与钢的碳含量成比例。热处理造成的密度变化与金属内部发生的过程有关，如点阵参数变化、晶粒的取向排列、有序-无序转变、晶型转变、脱溶沉淀、溶解气体、氧化、位错和空位浓度变化等。

3）在粉末冶金中，金属材料的密度与工艺过程的关系更为明显。影响粉末制品密度的主要因素是压制压力、烧结温度、烧结时间、保护介质等。压制时压坯的密度随着压力的增加而增大。在极端情况广，当压力很大时压坯的密度有可能接近致密金属的密度。由图2-3可以看出，在压制过程中压坯的密度变化速度开始很大，随后逐渐降低，直到停止。压坯在烧结过程中颗粒间的接触增加，因而密度变大。这是因为烧结时压坯内发生各种各样的物理化学变化，如氧化物还原、扩散、蠕变、再结晶、气体解吸、杂质净化等。

3.温度的影响

金属加热时会产生体积的变化，绝大多数金属和合金的体积随温度的增加而增大。这是由于温度的升高将引起金属内部原子振动的振幅增加，振动的非对称性造成了晶格点阵的热膨胀。在一级近似下，金属材料的密度可用式（2-6）计算：

图2-3 压力与相对密度的关系

式中 ρ——T～T₀温度区间的平均密度，单位为kg/m³；

T——终了温度，单位为℃；

T₀——初始温度，单位为℃；

ρ₀——T₀时的密度，单位为kg/m³；——在T～T₀温度区间的平均体胀系数，单位为1/℃。

大多数金属的体胀系数为10^-6～10^-5数量级。因此，即使温度变化100℃，对密度的影响也不会超过1%，熔化时大多数金属的体积也只增加3%左右。在实际生产中，常常采用金属材料在不同温度区间密度随温度变化的经验公式，这些公式往往具有更简洁的形式和足够的准确度。表2-2给出了纯铁的密度在不同温度区间随温度变化的经验公式及偏差。

表2-2 纯铁的密度随温度变化的经验公式及偏差