Khối lượng riêng của thép là gì ? Công thức tính khối lượng

Khối lượng riêng của thép là 7.850 kg/m³, tương đương 7,85 g/cm³ hay 7,85 tấn/m³. Nói cách khác, 1 m³ thép nặng khoảng 7,85 tấn, còn 1 dm³ (1 lít) thép nặng 7,85 kg. Giá trị này áp dụng cho thép cacbon và là cơ sở để tính khối lượng mọi chi tiết, từ tấm, ống đến mặt bích. Với vật liệu thép hợp kim hay inox, con số nhỉnh hơn hoặc thấp hơn một chút, như bảng bên dưới.

Khối lượng riêng của thép là bao nhiêu?

Thép cacbon thông dụng (SS400, A36, C45, A105, WCB) đều có khối lượng riêng khoảng 7.850 kg/m³, chênh lệch dưới 1% giữa các mác vì thành phần chủ yếu là sắt. So với khối lượng riêng của thép, sắt nguyên chất nặng hơn một chút, 7.870 kg/m³. Thép hợp kim thấp như 42CrMo4 vẫn xấp xỉ 7.850 kg/m³, còn inox dao động từ 7.700 đến 8.000 kg/m³ tùy mác.

Cần phân biệt đơn vị khi ghi khối lượng riêng của thép. 7.850 kg/m³ bằng 7,85 g/cm³. Các cách viết “7.850 tấn/m³” hay “7850 kg/cm³” gặp trong tài liệu cũ đều sai: cách viết thứ nhất lớn gấp 1.000 lần, cách thứ hai gấp 1 triệu lần giá trị đúng.

Khối lượng riêng là gì?

Khối lượng riêng D (hay mật độ khối lượng) là khối lượng trên một đơn vị thể tích: D = m / V, với m tính bằng kg, V bằng m³, D bằng kg/m³. Trong phòng thí nghiệm hay dùng g/cm³; 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³. Khái niệm tổng quát về mật độ có thể xem thêm tại Density (Wikipedia).

Không nên nhầm với trọng lượng riêng γ = D × g, tính bằng N/m³ (g khoảng 9,81 m/s²). Thép có γ khoảng 77.000 N/m³. Để dễ hình dung, khối lượng riêng của nước là 1.000 kg/m³ ở khoảng 4°C, nghĩa là khối lượng riêng của thép gấp 7,85 lần nước.

Bảng khối lượng riêng kim loại và vật liệu làm van

Bảng tổng hợp khối lượng riêng của thép và các vật liệu thường gặp trong van và phụ kiện đường ống. Giá trị tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng hoặc chứng chỉ vật liệu.

Khối lượng riêng của gang xám thấp hơn khối lượng riêng của thép khoảng 8–10% vì graphit (khoảng 2,2 g/cm³) nhẹ hơn nhiều so với nền sắt và chiếm một phần thể tích. Nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba thép, còn PP nhẹ hơn nước (nổi trên mặt nước).

Khối lượng riêng inox

Inox 304 (SUS304/AISI 304) có khối lượng riêng 7,93 g/cm³ (7.930 kg/m³); một số datasheet làm tròn thành 8,00 g/cm³. Inox 316 là 7,98 g/cm³ vì chứa 2–3% Mo.

Inox austenit nặng hơn thép cacbon vì hai lý do. Thứ nhất, niken (8,9 g/cm³) và molypden (10,2 g/cm³) đặc hơn sắt (7,87 g/cm³). Thứ hai, cấu trúc austenit lập phương tâm mặt xếp chặt nguyên tử hơn ferit lập phương tâm khối. Ngược lại, inox 430 không có niken, chứa nhiều crom (7,19 g/cm³, nhẹ hơn sắt) nên chỉ khoảng 7,7 g/cm³, nhẹ hơn cả thép cacbon.

Khối lượng riêng đồng và đồng thau

Vật liệu đồng nguyên chất có khối lượng riêng 8.960 kg/m³ (8,96 g/cm³), cao hơn khối lượng riêng của thép khoảng 14%. Đồng thau là hợp kim đồng – kẽm; kẽm nhẹ hơn đồng (7,13 g/cm³) nên đồng thau càng nhiều Zn thì càng nhẹ, thường 8.400–8.730 kg/m³. Đồng thanh (thêm thiếc, nhôm) khoảng 8.800 kg/m³.

Công thức tính khối lượng

Trong mọi công thức dưới đây, kích thước nhập bằng mm, ρ là khối lượng riêng bằng g/cm³. Nguyên lý chung: khối lượng = thể tích × khối lượng riêng của thép (hoặc của vật liệu đang tính).

Tấm

m (kg) = T × W × L × ρ / 10⁶, với T là chiều dày (mm), W là chiều rộng (mm), L là chiều dài (mm). Hệ số 10⁶ đổi mm³ sang cm³ rồi g sang kg (mm³ / 1.000 = cm³, g / 1.000 = kg).

Ví dụ: tấm thép 10 × 1.500 × 6.000 mm có khối lượng 10 × 1.500 × 6.000 × 7,85 / 10⁶ = 706,5 kg. Tấm inox 304 dày 3 × 1.250 × 2.500 mm nặng 3 × 1.250 × 2.500 × 7,93 / 10⁶ = 74,34 kg.

Ống

m (kg/m) = (OD − t) × t × π × ρ / 1.000, với OD là đường kính ngoài (mm), t là chiều dày thành (mm). Đại lượng (OD − t) là đường kính trung bình của thành ống, nhân với π cho chu vi trung bình. Với thép (7,85) hệ số gộp là 0,02466, với inox 304 (7,93) là 0,02491.

Ví dụ: ống thép DN50 có OD 60,3 mm, dày 3,91 mm: m = 0,02466 × (60,3 − 3,91) × 3,91 ≈ 5,44 kg/m. Ống inox 304 OD 48,3 mm, dày 2,77 mm: m = 0,02491 × 45,53 × 2,77 ≈ 3,14 kg/m. Nhân với chiều dài ống (m) để ra tổng khối lượng. Quy cách, cấp chiều dày của từng loại xem thêm ở bài tổng quan về ống thép.

Thanh tròn đặc

m (kg/m) = π / 4 × d² × ρ / 1.000, với d là đường kính (mm). Với thép: m = 0,006165 × d². Ví dụ thanh tròn thép d = 20 mm: 0,006165 × 20² = 2,466 kg/m.

Hộp vuông, chữ nhật

m (kg/m) = [2t × (A + B) − 4t²] × ρ / 1.000, với A, B là hai cạnh ngoài (mm), t là chiều dày thành (mm). Phần trong ngoặc là diện tích mặt cắt (mm²), bỏ qua bán kính góc nên sai số nhỏ.

Ví dụ: hộp thép 50 × 30 × 2 mm có diện tích mặt cắt 2 × 2 × 80 − 4 × 2² = 304 mm², m = 304 × 7,85 / 1.000 ≈ 2,39 kg/m.

Lưu ý khi dùng khối lượng riêng của thép để tính trọng lượng

Công thức dùng khối lượng riêng của thép cho ra khối lượng lý thuyết. Khối lượng cân thực tế thường lệch vài phần trăm vì các yếu tố sau:

• Dung sai chiều dày: thép tấm, thép ống cán có dung sai âm hoặc dương theo tiêu chuẩn sản phẩm, nên tấm 10 mm có thể nặng hơn hoặc nhẹ hơn 706,5 kg ở ví dụ trên.
• Mối hàn và lớp phủ: ống hàn có thêm kim loại mối hàn, thép mạ kẽm nhúng nóng nặng hơn thép đen vì lớp kẽm.
• Nhiệt độ: thép giãn nở khi nóng nên khối lượng riêng giảm khoảng 1–2% ở vài trăm độ C (tham khảo); khi tính khối lượng chi tiết ở nhiệt độ thường thì có thể bỏ qua.
• Hình dạng phức tạp: mặt bích, thân van, cút, tê nên tra khối lượng theo catalogue của hãng thay vì tính từ khối lượng riêng.

Với phụ kiện nối ống, kỹ sư thường dùng khối lượng riêng của thép để ước tính tải trọng lên giá đỡ, trong khi khối lượng chính xác để báo giá hoặc vận chuyển nên lấy từ bảng của nhà sản xuất.

Viva cung cấp van và phụ kiện thép, inox, gang, đồng tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Liên hệ kỹ thuật để được tư vấn quy cách và khối lượng chi tiết theo bản vẽ.

Câu hỏi thường gặp

Xem thêm: phụ kiện thép và phụ kiện inox 304, 316 cho đường ống.