El aluminio ocupa un lugar en la selección de materiales de ingeniería que muy pocos metales pueden igualar. Su combinación de baja densidad, buen rendimiento mecánico, resistencia natural a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica lo convierte en un material verdaderamente versátil en una amplia gama de sectores y aplicaciones, desde estructuras aeroespaciales y paneles de carrocería de automóviles hasta intercambiadores de calor, conductores eléctricos y equipos de procesamiento de alimentos. Comprender en detalle las propiedades del aluminio es fundamental para utilizarlo adecuadamente y saber en qué casos sus limitaciones son relevantes.
La propiedad más útil del aluminio es su baja densidad. Con una densidad que equivale aproximadamente a un tercio de la del acero o el cobre, es uno de los metales estructurales más ligeros disponibles en el mercado. Esto lo convierte en la opción por excelencia en cualquier aplicación en la que la reducción de la masa sea un factor clave en el diseño: las estructuras de aeronaves, las carrocerías de vehículos, los equipos portátiles y los sistemas de cubierta de gran luz se basan todos en esta característica.
Sin embargo, la baja densidad por sí sola no lo convierte en un material estructural útil. Lo que hace que el aluminio sea realmente competitivo frente a metales más pesados es su relación resistencia-peso. El aluminio puro tiene una resistencia a la tracción modesta, pero la adición de elementos de aleación cambia esto considerablemente. El manganeso, el silicio, el cobre y el magnesio, en diversas combinaciones, dan lugar a familias de aleaciones cuya resistencia puede adaptarse a aplicaciones específicas mediante la composición y el tratamiento térmico. Las aleaciones de aluminio de alta resistencia utilizadas en aplicaciones aeroespaciales pueden alcanzar resistencias a la tracción comparables a las de muchos aceros estructurales, sin dejar de pesar menos de la mitad.
Una de las propiedades del aluminio más importantes desde el punto de vista práctico es su resistencia natural a la corrosión. Cuando el aluminio se expone al aire, se forma en su superficie, de forma casi instantánea, una capa de óxido fina y estable. Esta capa se adhiere firmemente al metal subyacente y tiene capacidad de autorreparación: si la superficie se raya o se daña, el óxido se vuelve a formar inmediatamente al exponerse al oxígeno. El resultado es un material que ofrece un buen comportamiento en entornos atmosféricos, en agua dulce y en una amplia gama de medios químicos sin necesidad de recubrimientos protectores.
El aluminio es resistente a la mayoría de los ácidos, pero menos resistente a los álcalis, lo cual debe tenerse en cuenta a la hora de especificarlo para entornos de procesamiento químico. Cuando se requiere una mayor protección de la superficie, el anodizado aumenta considerablemente el espesor de la capa de óxido y también puede tener una función decorativa. La resistencia inherente a la corrosión del aluminio, combinada con su naturaleza no tóxica, es la razón por la que se utiliza tan ampliamente en la industria alimentaria, el envasado, los equipos de cocina y los utensilios de cocina.
La conductividad térmica del aluminio es aproximadamente tres veces mayor que la del acero, lo que lo convierte en un material importante en cualquier aplicación en la que se requiera una transferencia de calor eficiente. Los intercambiadores de calor, los radiadores de automóviles, los sistemas de refrigeración para aparatos electrónicos y los utensilios de cocina aprovechan directamente esta propiedad. En aplicaciones en las que gestionar el flujo de calor es tan importante como soportar la carga estructural, el aluminio suele ofrecer la solución más eficiente tanto en términos de rendimiento térmico como de peso.
El aluminio tiene una conductividad eléctrica lo suficientemente alta como para utilizarse como conductor eléctrico práctico, lo que lo convierte en uno de los dos únicos metales disponibles en el mercado que se utilizan habitualmente para este fin, junto con el cobre. Aunque su conductividad por unidad de volumen es inferior a la del cobre, su conductividad por unidad de peso es significativamente mayor, razón por la cual el aluminio es el material conductor preferido para las líneas aéreas de transmisión de alta tensión, en las que es importante reducir al mínimo el peso de los cables. La ventaja en cuanto al coste frente al cobre también es un factor importante en las infraestructuras eléctricas a gran escala.
Las aleaciones de aluminio suelen presentar una buena tenacidad a la fractura, lo que significa que pueden absorber energía y resistir la propagación de grietas en condiciones de carga que provocarían una rotura frágil en materiales menos dúctiles. Esto, junto con su buena conformabilidad, hace que el aluminio sea muy adecuado para su fabricación mediante laminación, extrusión, trefilado, forjado y fundición. La facilidad con la que el aluminio puede extruirse en perfiles complejos se valora especialmente en aplicaciones arquitectónicas y estructurales en las que se requieren secciones transversales a medida.
El aspecto del aluminio, con su superficie naturalmente brillante y limpia, también supone una ventaja funcional en aplicaciones en las que la estética es tan importante como el rendimiento, como la electrónica de consumo, los revestimientos arquitectónicos y los interiores de los medios de transporte.
La tabla siguiente resume las principales propiedades físicas del aluminio y sus aleaciones en los grados típicos de ingeniería. Los valores varían en función de la composición de la aleación, el estado de templado y la temperatura; los rangos que se muestran reflejan la práctica comercial habitual.
Tabla 1. Rangos típicos de propiedades físicas y mecánicas de las aleaciones de aluminio para ingeniería.
Propiedad
Rango típico
Densidad
De 2,6 a 2,9 g/cm³
Módulo de elasticidad
De 69 a 72 GPa
Coeficiente de Poisson
De 0,32 a 0,34
Conductividad térmica
De 120 a 230 W/mK
Coeficiente de dilatación térmica
De 21 a 24 × 10⁻⁶/K
Conductividad eléctrica
De 16 a 35 MS/m
Resistencia a la tracción (aleaciones forjadas)
De 70 a 700 MPa
El módulo de elasticidad del aluminio, que oscila entre 69 y 72 GPa aproximadamente, es más o menos un tercio del del acero. Esto tiene implicaciones directas en los diseños en los que la rigidez es un factor determinante: un componente de aluminio se deformará aproximadamente tres veces más que un componente de acero geométricamente idéntico sometido a la misma carga. En la práctica, esto se soluciona mediante la geometría de la sección, ya que la extrusión y el conformado permiten utilizar el aluminio en formas de sección que compensan eficazmente el déficit de rigidez.
Las propiedades de un producto acabado de aluminio vienen determinadas por tres variables que interactúan entre sí: la composición de la aleación, el estado de temple y el proceso de fabricación.
La composición de la aleación es la variable principal. El sistema de designación de cuatro dígitos utilizado en las aleaciones de aluminio forjado codifica los principales elementos de aleación: las aleaciones de la serie 2xxx tienen una base de cobre y alcanzan una alta resistencia; las aleaciones de la serie 5xxx utilizan magnesio para ofrecer una buena resistencia a la corrosión y soldabilidad; las aleaciones de la serie 6xxx equilibran la resistencia, la resistencia a la corrosión y la extrudibilidad mediante adiciones de silicio y magnesio; las aleaciones de la serie 7xxx, que utilizan zinc y magnesio, alcanzan las resistencias más elevadas de toda la familia del aluminio y son la opción predominante en aplicaciones estructurales aeroespaciales. Para consultar el sistema completo de clasificación de grados, véase «Grados de aluminio».
El estado de temple define la condición en la que se suministra la aleación: tal y como se ha fabricado, recocida, endurecida por deformación o sometida a tratamiento térmico. La designación del estado de temple, que se añade al número de la aleación, determina las propiedades mecánicas que el producto ofrecerá realmente. La misma composición de aleación en diferentes estados de templado puede presentar diferencias sustanciales en cuanto a límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad.
El proceso de fabricación, que incluye la reducción por laminación, las condiciones de extrusión y los parámetros del tratamiento térmico, determina la microestructura final y, por lo tanto, los valores de las propiedades específicas dentro del rango que permiten la composición y el estado de temple.
Este artículo aborda las propiedades que determinan el comportamiento del aluminio en condiciones de uso. Las demás guías de la serie «Aluminio» tratan sobre el origen de dichas propiedades y cómo se definen. La guía «Grados de aluminio» explica cómo se organizan las aleaciones en series, cada una de las cuales ofrece un equilibrio diferente de las características aquí descritas. «Especificaciones del aluminio» aborda el sistema de designación y temple que establece la composición y el estado exactos de un material, mientras que «Normas del aluminio» explica los marcos normativos que rigen dichas designaciones.
Las propiedades que hacen que el aluminio sea tan útil en ingeniería son su baja densidad, su buena relación resistencia-peso, su resistencia natural a la corrosión, su alta conductividad térmica y su conductividad eléctrica. La importancia de cada una de estas propiedades depende de la aplicación: en el sector aeroespacial y del transporte prima la relación resistencia-peso; en las aplicaciones de transferencia de calor, la conductividad térmica; en las infraestructuras eléctricas, la conductividad por unidad de peso; y en las aplicaciones de procesamiento alimentario y químico, la resistencia a la corrosión y la ausencia de toxicidad.
Cuando el aluminio se expone al aire, se forma casi inmediatamente una fina capa de óxido de aluminio en la superficie. Esta capa es estable, se autorregenera y se adhiere firmemente al metal, lo que confiere al aluminio una resistencia inherente a la corrosión sin necesidad de un recubrimiento protector en la mayoría de los entornos. La capa de óxido puede aumentarse deliberadamente mediante el proceso de anodizado para aquellas aplicaciones que requieran una mayor protección o un acabado superficial específico. El aluminio se comporta bien en entornos atmosféricos y de agua dulce, pero es menos resistente a los álcalis y a algunos medios químicos específicos.
Si bien el cobre tiene una mayor conductividad eléctrica por unidad de volumen, el aluminio presenta una conductividad eléctrica significativamente mayor por unidad de peso. En el caso de las líneas aéreas de transmisión, en las que el cable debe cubrir largas distancias y soportar su propio peso, el ahorro de peso que supone el uso del aluminio es el factor determinante. Además, el aluminio es considerablemente más barato que el cobre, lo cual es importante a la escala de las infraestructuras de transmisión de alta tensión.
El módulo de elasticidad del aluminio es de aproximadamente entre 69 y 72 GPa, lo que equivale más o menos a un tercio del del acero. Esto significa que un componente de aluminio se deformará aproximadamente tres veces más que un componente de acero geométricamente idéntico sometido a la misma carga. En los diseños en los que prima la rigidez, esto debe compensarse mediante la geometría de la sección, normalmente utilizando secciones transversales más grandes o más eficientes. La buena noticia es que la facilidad de extrusión del aluminio permite diseñar sin dificultad secciones transversales que compensan este déficit de rigidez, al tiempo que siguen siendo, en general, más ligeras que el componente equivalente de acero.
El aluminio puro tiene una resistencia a la tracción relativamente modesta. La adición de elementos de aleación como el cobre, el magnesio, el manganeso, el silicio y el zinc da lugar a familias de aleaciones cuya resistencia puede ser considerablemente superior a la del aluminio puro, y que puede aumentarse aún más mediante un tratamiento térmico. Las aleaciones de la serie 7xxx, que utilizan zinc y magnesio, alcanzan las resistencias más elevadas, con resistencias a la tracción que oscilan entre 500 y 700 MPa en los estados de endurecimiento tras el envejecimiento máximo.