Proprietà dell’alluminio: caratteristiche meccaniche, fisiche e prestazionali

Densità e rapporto resistenza/peso

La proprietà più immediatamente utile dell’alluminio è la sua bassa densità. Con una densità pari a circa un terzo di quella dell’acciaio o del rame, è uno dei metalli strutturali più leggeri disponibili in commercio. Ciò lo rende la scelta naturale in qualsiasi applicazione in cui la riduzione al minimo della massa sia un fattore progettuale fondamentale: le strutture aeronautiche, le carrozzerie dei veicoli, le attrezzature portatili e i sistemi di copertura a grande campata si avvalgono tutti di questa caratteristica.

La bassa densità, tuttavia, non basta di per sé a rendere un materiale utile dal punto di vista strutturale. Ciò che rende l’alluminio realmente competitivo rispetto ai metalli più pesanti è il suo rapporto resistenza/peso. L’alluminio puro ha una resistenza alla trazione modesta, ma l’aggiunta di elementi di lega modifica notevolmente questa caratteristica. Manganese, silicio, rame e magnesio, in varie combinazioni, danno origine a famiglie di leghe la cui resistenza può essere adattata ad applicazioni specifiche sia attraverso la composizione che tramite il trattamento termico. Le leghe di alluminio ad alta resistenza utilizzate in applicazioni aerospaziali possono raggiungere resistenze alla trazione paragonabili a quelle di molti acciai strutturali, pur avendo un peso inferiore alla metà.

Resistenza alla corrosione

Una delle proprietà dell’alluminio di maggiore importanza pratica è la sua naturale resistenza alla corrosione. Quando l’alluminio viene esposto all’aria, sulla sua superficie si forma quasi istantaneamente un sottile strato di ossido stabile. Questo strato aderisce saldamente al metallo sottostante ed è in grado di autorigenerarsi: se la superficie viene graffiata o danneggiata, l’ossido si riformula immediatamente a contatto con l’ossigeno. Il risultato è un materiale che offre ottime prestazioni in ambiente atmosferico, in acqua dolce e in un’ampia gamma di mezzi chimici senza richiedere rivestimenti protettivi.

L’alluminio è resistente alla maggior parte degli acidi, ma lo è meno agli alcali, e questo aspetto va tenuto in considerazione quando lo si sceglie per ambienti di lavorazione chimica. Laddove sia richiesta una maggiore protezione superficiale, l’anodizzazione ispessisce notevolmente lo strato di ossido e può anche avere una funzione decorativa. La resistenza intrinseca alla corrosione dell’alluminio, unita alla sua natura atossica, è il motivo per cui è così ampiamente utilizzato nella lavorazione degli alimenti, negli imballaggi, nelle attrezzature da cucina e negli utensili da cucina.

Conduttività termica

La conduttività termica dell’alluminio è circa tre volte superiore a quella dell’acciaio, il che lo rende un materiale fondamentale ovunque sia richiesto un trasferimento efficiente del calore. Scambiatori di calore, radiatori per autoveicoli, sistemi di raffreddamento per dispositivi elettronici e utensili da cucina sfruttano tutti direttamente questa proprietà. Nelle applicazioni in cui la gestione del flusso termico è fondamentale quanto il sostegno del carico strutturale, l’alluminio offre spesso la soluzione più efficiente sia in termini di prestazioni termiche che di peso.

Conduttività elettrica

L'alluminio presenta una conduttività elettrica sufficientemente elevata da poter essere utilizzato come conduttore elettrico pratico, il che lo rende uno dei due soli metalli disponibili in commercio abitualmente impiegati a questo scopo, insieme al rame. Sebbene la sua conduttività in termini di volume sia inferiore a quella del rame, quella in termini di peso è significativamente superiore; ecco perché l’alluminio è il materiale conduttore preferito per le linee di trasmissione aeree ad alta tensione, dove è importante ridurre al minimo il peso dei cavi. Anche il vantaggio in termini di costo rispetto al rame è un fattore significativo nelle infrastrutture elettriche su larga scala.

Resistenza alla frattura e lavorazione

Le leghe di alluminio presentano generalmente una buona tenacità alla frattura, il che significa che sono in grado di assorbire energia e resistere alla propagazione delle crepe in condizioni di carico che causerebbero una rottura fragile in materiali meno duttili. Questa caratteristica, unita alla buona formabilità, rende l’alluminio particolarmente adatto alla lavorazione mediante laminazione, estrusione, trafilatura, forgiatura e fusione. La facilità con cui l’alluminio può essere estruso in profili complessi è particolarmente apprezzata nelle applicazioni architettoniche e strutturali in cui sono richieste sezioni trasversali personalizzate.

L'aspetto dell'alluminio, con la sua superficie naturalmente brillante e pulita, rappresenta anche un vantaggio funzionale in applicazioni in cui l'estetica è importante quanto le prestazioni, come l'elettronica di consumo, i rivestimenti architettonici e gli interni dei mezzi di trasporto.

Proprietà fisiche dell'alluminio

La tabella che segue riassume le principali proprietà fisiche dell'alluminio e delle sue leghe nelle tipiche classi di utilizzo ingegneristico. I valori variano a seconda della composizione della lega, del trattamento termico e della temperatura; gli intervalli indicati riflettono la normale prassi commerciale.

Tabella 1. Intervalli tipici delle proprietà fisiche e meccaniche delle leghe di alluminio per uso tecnico.

Il modulo elastico dell’alluminio, compreso tra circa 69 e 72 GPa, è pari a circa un terzo di quello dell’acciaio. Ciò ha implicazioni dirette per i progetti in cui la rigidità è un fattore determinante: un componente in alluminio subirà una deflessione circa tre volte superiore rispetto a un componente in acciaio geometricamente identico sottoposto allo stesso carico. In pratica, questo aspetto viene gestito attraverso la geometria della sezione, poiché l’estrusione e la formatura consentono di utilizzare l’alluminio in forme che compensano efficacemente il deficit di rigidità.

Cosa determina le proprietà dell'alluminio

Le proprietà di un prodotto finito in alluminio sono determinate da tre variabili che interagiscono tra loro: la composizione della lega, il trattamento termico e il processo di lavorazione.

La composizione della lega è la variabile principale. Il sistema di designazione a quattro cifre utilizzato per le leghe di alluminio lavorate indica gli elementi di lega principali: le leghe della serie 2xxx sono a base di rame e raggiungono un’elevata resistenza; le leghe della serie 5xxx utilizzano il magnesio per garantire una buona resistenza alla corrosione e saldabilità; le leghe della serie 6xxx garantiscono un equilibrio tra resistenza, resistenza alla corrosione ed estrudibilità grazie alle aggiunte di silicio e magnesio; le leghe della serie 7xxx, che utilizzano zinco e magnesio, raggiungono i livelli di resistenza più elevati tra tutte le famiglie di alluminio e rappresentano la scelta prevalente nelle applicazioni strutturali aerospaziali. Per il sistema completo di classificazione dei gradi, consultare la sezione Gradi di alluminio.

Il grado di tempra definisce lo stato in cui viene fornita la lega: tal quale, ricotta, indurita per deformazione o trattata termicamente. La designazione del grado di tempra, aggiunta al numero della lega, determina le proprietà meccaniche effettive del prodotto. La stessa composizione della lega in diversi stati di trattamento può presentare differenze sostanziali in termini di limite di snervamento, resistenza alla trazione e duttilità.

Il percorso di lavorazione, che comprende la riduzione mediante laminazione, le condizioni di estrusione e i parametri di trattamento termico, determina la microstruttura finale e, di conseguenza, i valori specifici delle proprietà entro i limiti consentiti dalla composizione e dal grado di tempra.