L’alluminio occupa una posizione nella scelta dei materiali ingegneristici che pochissimi metalli possono eguagliare. La combinazione di bassa densità, buone prestazioni meccaniche, resistenza naturale alla corrosione ed elevata conduttività termica ed elettrica lo rende davvero versatile in una vasta gamma di settori e applicazioni, dalle strutture aerospaziali e dai pannelli della carrozzeria automobilistica agli scambiatori di calore, ai conduttori elettrici e alle attrezzature per la lavorazione degli alimenti. Comprendere nel dettaglio le proprietà dell’alluminio è fondamentale per utilizzarlo al meglio e per sapere in quali casi i suoi limiti sono rilevanti.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Proprietà
Intervallo tipico
Densità
da 2,6 a 2,9 g/cm³
Modulo elastico
da 69 a 72 GPa
Coefficiente di Poisson
da 0,32 a 0,34
Conducibilità termica
da 120 a 230 W/mK
Coefficiente di dilatazione termica
da 21 a 24 × 10⁻⁶/K
Conduttività elettrica
da 16 a 35 MS/m
Resistenza alla trazione (leghe lavorate)
da 70 a 700 MPa
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.
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.
Questo articolo illustra le proprietà che determinano le prestazioni dell’alluminio durante l’uso. Le altre guide della serie dedicata all’alluminio spiegano da dove derivano tali proprietà e come vengono definite. La guida “Gradi di alluminio” spiega come le leghe siano organizzate in serie, ciascuna delle quali offre un diverso equilibrio delle caratteristiche qui descritte. La sezione "Specifiche dell’alluminio" illustra il sistema di designazione e di tempra che definisce la composizione e le condizioni esatte di un materiale, mentre la sezione "Standard dell’alluminio" spiega i quadri normativi che regolano tali designazioni.
Le proprietà che rendono l’alluminio particolarmente utile nell’ingegneria sono la sua bassa densità, il buon rapporto resistenza/peso, la naturale resistenza alla corrosione, l’elevata conduttività termica e la conduttività elettrica. Quale di queste caratteristiche sia la più importante dipende dall'applicazione: nei settori aerospaziale e dei trasporti si privilegia il rapporto resistenza/peso; nelle applicazioni di trasferimento di calore si privilegia la conduttività termica; nelle infrastrutture elettriche si privilegia la conduttività per unità di peso; nelle applicazioni di lavorazione alimentare e chimica si privilegiano la resistenza alla corrosione e la non tossicità.
Quando l'alluminio viene esposto all'aria, sulla sua superficie si forma quasi immediatamente un sottile strato di ossido di alluminio. Questo strato è stabile, in grado di autorigenerarsi e aderisce saldamente al metallo, conferendo all'alluminio una resistenza intrinseca alla corrosione senza richiedere un rivestimento protettivo nella maggior parte degli ambienti. Lo strato di ossido può essere intenzionalmente ispessito tramite l'anodizzazione per applicazioni che richiedono una protezione maggiore o una finitura superficiale specifica. L'alluminio offre buone prestazioni in ambienti atmosferici e in acqua dolce, ma è meno resistente agli alcali e ad alcuni specifici agenti chimici.
Mentre il rame presenta una conduttività elettrica per unità di volume più elevata, l’alluminio ha una conduttività elettrica per unità di peso significativamente superiore. Nel caso delle linee di trasmissione aeree, in cui il cavo deve coprire lunghe distanze e sostenere il proprio peso, il risparmio di peso derivante dall’uso dell’alluminio è il fattore determinante. L’alluminio è inoltre notevolmente meno costoso del rame, aspetto che assume grande importanza quando si parla di infrastrutture di trasmissione ad alta tensione.
Il modulo elastico dell’alluminio è compreso tra circa 69 e 72 GPa, pari all’incirca a un terzo di quello dell’acciaio. Ciò significa che, a parità di carico, un componente in alluminio subirà una deformazione circa tre volte maggiore rispetto a un componente in acciaio geometricamente identico. Nei progetti in cui la rigidità è un fattore determinante, ciò deve essere compensato attraverso la geometria della sezione, in genere utilizzando sezioni trasversali più grandi o più efficienti. La buona notizia è che la facilità di estrusione dell’alluminio rende semplice progettare sezioni trasversali in grado di colmare questa carenza di rigidità, pur rimanendo complessivamente più leggere rispetto al componente equivalente in acciaio.
L'alluminio puro presenta una resistenza alla trazione relativamente modesta. L'aggiunta di elementi di lega quali rame, magnesio, manganese, silicio e zinco dà origine a famiglie di leghe la cui resistenza può essere notevolmente superiore a quella dell'alluminio puro e che può essere ulteriormente aumentata tramite trattamento termico. Le leghe della serie 7xxx, che utilizzano zinco e magnesio, raggiungono le resistenze più elevate, con resistenze alla trazione comprese tra 500 e 700 MPa nelle condizioni di tempra con invecchiamento di picco.