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:

  • Leghe con caratteristiche meccaniche medio-alte, la cui composizione chimica comprende, oltre allo zinco, altri elementi, tra cui il rame, ma in tenore basso e mai superiore all’1%; alcune leghe di questo tipo sono saldabili per fusione e non presentano problemi particolari di tensocorrosione. Sono utilizzate tipicamente nella carpenteria metallica, nella costruzione di telai di biciclette e motociclette, nelle strutture saldate leggere in generale.
  • Leghe con caratteristiche meccaniche molto elevate, la cui composizione chimica comprende, oltre allo zinco, altri elementi, tra cui il rame, in tenore superiore all’1%; sono materiali di derivazione aerospaziale, che sviluppano le massime caratteristiche meccaniche ottenibili con le leghe di alluminio. Non sono saldabili per fusione e in alcuni stati di trattamento termico presentano seri problemi di tensocorrosione. Sono utilizzate tipicamente in tutte quelle applicazioni in cui il rapporto resistenza/peso risulta di particolare importanza. A questa tipologia di leghe in particolare ci si riferirà nel seguito.

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.

Anche se i parametri tecnici che determinano la scelta sono molteplici, di seguito esamineranno tre:

  1. La resistenza meccanica (statica, a fatica);
  2. La resistenza a tensocorrosione;
  3. La tenacità alla frattura

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

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:

  • Carico di rottura Rm (MPa), a temperatura ambiente e a temperature elevate
  • Limite di snervamento Rp0.2 (Mpa)
  • Modulo elastico E (Mpa)

Questi valori sono determinati da:

  • Composizione chimica della lega
  • Tipo di semilavorato (barra estrusa, piastra laminata a caldo, ecc.)
  • Spessore del semilavorato
  • Stato di trattamento termico
  • Direzione metallurgica. (*)
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.

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).

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:

  • Scegliere materiali poco sensibili a SCC
  • Ridurre le tensioni interne
  • Eliminare o ridurre il fenomeno corrosivo mediante opportuna             progettazione geometrica del componente (evitando cavità o       fessure in cui possa raccogliersi il mezzo aggressivo) e adozione di         opportuni sistemi di protezione superficiale.

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.

7075 – PIASTRE

7475 – PIASTRE

7050 – PIASTRE

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.

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

 

  • Richiedono controlli di processo definiti e dettagliati, specialmente per l’esecuzione dei processi speciali;
  • Richiedono o incoraggiano a richiedere in produzione l’esecuzione di controlli non distruttivi volti a filtrare le discontinuità interne eccedenti determinati limiti;
  • Selezionano i produttori eliminando quelli tecnologicamente, impiantisticamente e culturalmente meno evoluti.
  • Presuppongono un sistema rigoroso di certificazione di qualità a tutti gli operatori lungo la catena di fornitura e di rintracciabilità dei prodotti.
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