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Leghe di alluminio ad alta resistenza della serie 7000

Criteri di selezione

Appartengono alla serie 7000 (note un tempo col nome generico di "ERGAL") le leghe di alluminio il cui principale alligante è lo zinco.
La serie comprende due tipologie ben definite di leghe:

Parametri che influenzano la selezione

La scelta del materiale dovrebbe essere eseguita in modo da assicurare nel modo più economico possibile che vengano soddisfatti i requisiti di progetto; i parametri tecnici che determinano la scelta sono molteplici; nel seguito se ne esamineranno tre:

Vengono prese in considerazione tre leghe, la cui composizione chimica è riportata nella tabella seguente:

Lega

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

EN-AW-7075

0.40

0.50

1.2
2.0

0.30

2.1
2.9

0.18
0.28

5.1
6.1

0.20

EN-AW-7475

0.10

0.12

1.2
1.9

0.06

1.9
2.6

0.18
0.25

5.2
6.2

0.06

EN-AW-7050

0.12

0.15

2.0
2.6

0.10

1.9
2.6

0.04

5.7
6.7

0.06

EN-AW-7075

Lega Al-Zn-Mg-Cu ad alta resistenza, disponibile sotto forma di lamiere sottili, piastre, barre estruse, in stati di trattamento termico tipo T6, T73 e T76.
Tra le leghe ad alta resistenza della serie 7000 è la più diffusa nella meccanica generale.
Agli stati tipo T6 competono la massima resistenza meccanica, ma per contro le caratteristiche minori di tenacità e, eccezion fatta per le sezioni sottili, caratteristiche esigue di resistenza a tensocorrosione.
Gli stati tipo T73 sono caratterizzati da resistenza meccanica minore, ma da resistenza a tensocorrosione decisamente più elevata rispetto agli stati T6.
Gli stati tipo T76 sono caratterizzati da resistenza meccanica intermedia e da limitata resistenza a tensocorrosione.

EN-AW-7475

Lega Al-Zn-Mg-Cu ad alta resistenza, sviluppata per applicazioni che richiedano la medesima resistenza meccanica della 7075, ma con valori più elevati della tenacità alla frattura.
Utilizzata nelle costruzioni aeronautiche, specialmente per le macchine ad ala rotante, dove il regime vibratorio è importante, ha trovato applicazioni nel campo dell'automobilismo sportivo di altissima gamma.
Non viene prodotta sotto forma di barre.
Gli stati di trattamento sono i medesimi della lega 7075, con le medesime implicazioni.

EN-AW-7050

Lega Al-Zn-Mg-Cu-Zr ad alta resistenza, sviluppata per ottimizzare la combinazione di resistenza meccanica elevata, resistenza a tensocorrosione elevata e buona tenacità alla frattura, specialmente per gli spessori elevati, ove le due leghe precedenti vanno soggette a decadimento delle proprietà.
Viene prodotta sotto forma di piastre e barre estruse, anche se queste ultime sono inusuali in Europa.
Utilizzata nelle costruzioni aeronautiche per parti di forza critiche, non è attualmente utilizzata nella meccanica generale (sono presenti casi di impiego di sottoprodotti di questa lega per la realizzazione di stampi per materie plastiche).
Gli stati di trattamento sono di tipo T7; il più comune è il T74.

La resistenza meccanica

Ai fini del dimensionamento delle parti assumono particolare rilevanza i valori di:

Questi valori sono determinati da:

Nota (*): Le leghe di alluminio presentano in genere anisotropia delle proprietà, che risultano differenti in funzione delle cosiddette "direzioni metallurgiche"; ad esempio, nel caso delle piastre laminate a caldo, cui ci si riferirà nel seguito, si parla di:
  • Direzione di laminazione o longitudinale (L); coincide in genere con il lato lungo della piastra
  • Direzione trasversale (LT); corrisponde alla direzione ortogonale alla precedente, nel piano della piastra
  • Direzione trasversale corta (ST); corrisponde a quella dello spessore della piastra.

Le tabelle seguenti riportano le caratteristiche meccaniche di progetto a temperatura ambiente per le tre leghe, per tre diversi spessori del semilavorato di partenza.

7075 - PIASTRE
Spessore mm 50 100 150
Stato T651

T7351i

T7651

T651

T7351

T7651

T651

T7351

T7651

Rm         L  

514

446

480

452

412

 

 

 

 

               LT

521

453

487

459

419

 

360

 

 

               ST

480

425

446

418

391

 

 

 

 

Rp0.2    L  

452

357

405

384

329

 

240

 

 

               LT

439

357

412

370

329

 

 

 

 

               ST

407

336

384

343

315

 

 

 

 

E
70650

 

7475 - PIASTRE
Spessore mm 50 100 150
Stato T7351

Rm         L  

466

439

 

               LT

466

439

 

               ST

446

432

 

Rp0.2    L  

384

357

 

               LT

384

357

 

               ST

364

343

 

E 70650

 

7050 - PIASTRE
Spessore mm 50 100 150
Stato T7451

Rm         L  

501

486

473

               LT

501

486

473

               ST

466

466

446

Rp0.2    L  

425

418

405

               LT

425

418

405

               ST

398

385

385

E 70650

 

La resistenza a tensocorrosione

La tensocorrosione (Stress Corrosion Cracking SCC ) è la formazione di cricche intergranulari per effetto dell'influenza combinata di sollecitazioni a trazione e di un ambiente corrosivo (per le leghe di alluminio al alta resistenza le comuni atmosfere urbane costituiscono un ambiente corrosivo).

Tensocorrosione

Le sollecitazioni a trazione possono provenire da carichi esterni insistenti o da cause interne (tensioni dovute al trattamento termico, alle lavorazioni o al montaggio).

Le conseguenze della tensocorrosione sono generalmente catastrofiche, in quanto essa genera rotture di schianto per sovraccarico statico dovuto a riduzione della sezione resistente ed effetto di intaglio, ovvero innesca rotture per fatica.
Il fenomeno è particolarmente insidioso in quanto la maggior parte della superficie del componente aggredito rimane integra, e le cricche si propagano localmente con scarsissima produzione di prodotti di corrosione.

Le misure da intraprendere per prevenire l'insorgere del fenomeno sono:

Una classificazione molto pratica delle caratteristiche di resistenza a corrosione delle tre leghe è riportata nella tabella a fianco, che si riferisce a piastre laminate a caldo.

Lega - Stato Direzione
       

  L  

  LT  

  ST  

7075-T651

A

B

D

7075-T7651

A

A

C

7475-T7651

A

A

C

7075-T7351

A

A

A

7475-T7351

A

A

A

7050-T7451

A

A

B

 


Il significato delle lettere in tabella è il seguente:

  1. Molto buono. Non si prevede SCC per livelli di sollecitazione globale insistente fino al 75% del limite di snervamento.
  2. Buono. Non si prevede SCC per livelli di sollecitazione globale insistente fino al 50% del limite di snervamento.
  3. Scarso. Non si prevede SCC per livelli di sollecitazione globale insistente fino al 25% del limite di snervamento.
  4. Cattivo. Non soddisfa il requisito del precedente punto C. In presenza di sollecitazione insistente darà luogo a rotture per tensocorrosione.<

Nel caso delle piastre, il comportamento a tensocorrosione peggiora all'aumentare dello spessore.

La tenacità alla frattura

La tenacità alla frattura indica il livello di sollecitazione necessario a far propagare una discontinuità presente nel materiale. E' una caratteristica decisamente importante del materiale, dal momento che non è mai possibile escludere la presenza di discontinuità derivanti dal ciclo metallurgico del prodotto e dalle successive lavorazioni (cricche, porosità, inclusioni non metalliche, incisioni, corrosione localizzata, ecc.).
Per componenti molto critici e sollecitati (componenti di sicurezza) sono divenute usuali tecniche di progetto basate sulla meccanica della frattura lineare elastica, che, partendo dalla geometria del componente, le condizioni di carico, la dimensione delle discontinuità ed una caratteristica del materiale chiamata tenacità alla frattura, consentono di valutare la capacità di un componente contenente discontinuità di funzionare senza rotture.
L'indice più comunemente utilizzato per definire tale caratteristica è la "plain strain fracture toughness" (tenacità alla frattura in regime di deformazione piana K1c - Mpa x m 1/2); tale indice viene ricavato sperimentalmente da provini contenenti intagli meccanici, sollecitati dapprima a fatica in modo da innescare dall'intaglio meccanico una cricca di fatica di opportuna lunghezza, e quindi caricati staticamente fino a rottura.
La tenacità alla frattura delle leghe di alluminio è una proprietà fortemente direzionale, legata alle direzioni metallurgiche principali, per cui è d'uso riferirla a due direzioni metallurgiche del semilavorato di partenza, designate convenzionalmente con L (longitudinale), T (trasversale), S (trasversale corta).

Di queste, la prima definisce la direzione metallurgica ortogonale al piano della cricca di fatica, la seconda la direzione di propagazione della cricca di fatica. La figura precedente illustra le modalità di designazione per le piastre laminate.
Oltre che dalla direzione, la tenacità è influenzata da lega, stato di trattamento, tipo di grezzo, spessore.
Per le applicazioni aeronautiche sono state sviluppate leghe di elevatissima purezza, ad esempio la 7475, caratterizzate da elevata tenacità alla frattura, che deve essere verificata e garantita dal produttore per ogni lotto di materiale.
La tabella seguente mostra i valori tipici di K1c per le piastre nelle tre leghe, in diversi stati di trattamento termico.

Lega - Stato Orientamento
 

L-T

T-L

S-L

7075-T651

28

24

20

7075-T7651

32

25

20

7075-T7351

33

30

24

7050-T7451

35

31

25

7475-T7351

51

40

33

 


 

In definitiva

La figura a fianco mostra come si collocano le proprietà delle tre leghe, per quanto riguarda il limite di snervamento e la resistenza a tensocorrosione, per piastre di spessori compresi tra 50 e 100 mm, nelle tre direzioni metallurgiche principali.

Occorre notare la fortissima variazione delle proprietà della lega 7075-T651 in funzione dello spessore e della direzione metallurgica, che ne fanno un materiale prezioso in particolari applicazioni, ma pericoloso o scarsamente performante in altre.
Gli altri materiali, sviluppati originariamente per le costruzioni aeronautiche, mostrano variazioni decisamente più contenute, e quindi si candidano autorevolmente per le applicazioni dove l'esigenza di sicurezza è elevata e non può essere escluso in modo tassativo l'insorgere di fenomeni tensocorrosivi.

Per spessori di grezzo importanti (oltre gli 80 mm) il materiale globalmente più performante è la 7050-T7451.

Ove il problema tensocorrosivo è importante, la scelta dovrà essere limitata a 7075-T7351, 7475-T7351 e 7050-T7451.

Ove la tenacità alla frattura è importante la scelta si dovrà orientare su 7475-T7351 e 7050-T7451.

Per particolari di sicurezza sarebbe poi opportuno, comunque, orientarsi su materiali prodotti non secondo specifiche commerciali (UNI-EN) ma secondo specifiche aerospaziali; costano poche diecine di centesimi in più al chilo, non si trovano così facilmente sul mercato, ma assicurano un livello qualitativo decisamente migliore per quanto riguarda i possibili difetti occulti e l'omogeneità del lotto; infatti le specifiche aeronautiche:

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