florhiana ha chiesto in Matematica e scienzeIngegneria · 1 decennio fa

alluminio vs acciaio?

quali sono i vantaggi derivanti dall'uso dell'alluminio in luogo dell'acciaio nella realizzazione di una componente meccanica?

Aggiornamento:

per dottor k: non è l'acciaio ad essere più lavorabile, questo non dipende anche dal modolo di young?

ps: grazie a tutti per le risposte:)!

5 risposte

Classificazione
  • 1 decennio fa
    Risposta preferita

    Grazie della domanda, un saluto a chi mi ha preceduto.

    L'alluminio in se è un materiale strutturalmente pessimo.

    Costoso (a livello di 4000 dollari/tonnellata in laminati), difficilmente saldabile fino agli anni '90, infido nelle fusione e nella saldatura, il giunto avvitato o rivettato slambriccia i bordi, modulo di young pessimo.

    La protezione che deriva dalla sua ossidazione superficiale, se viene a mancare innesca una corrosione perfida con pori, caverne, diavolerie. La sua elettronegatività lo rende esposto alla corrosione elettrochimica nei confronti del ferro, dell'acciaio inossidabile, e peggio che peggio delle leghe di rame.

    Spicca per la sua conducibilità termica (e elettrica) .

    Viene accolto nel civile come materiale di profili geniali per la sua proprietà di poter essere etruso a poco prezzo e anodizzato in colori estetici e durevoli dove il cliente finale non bada a spese.

    Questo, nel civile del Vecchio Mondo, lo ha confinato nell'uso in particolari estetici estrusi, in fusioni specifiche come le testate dei motori Otto, componentistica accessoria per veicoli, pentolame.

    Dall'ultima guerra negli Stati Uniti, in Francia, in Germania, in Svizzera, in Svezia (in Russia), accodato il Giappone, si mettevano a punto leghe specifiche per usi specifici molto più resistenti sia alla corrosione che come carico di snervamanto. Si misero a punto metodi di saldatura con gas inerti sia con materiali di apporto (MIG) che a fusione diretta con o senza bacchetta ausiliaria (TIG); Aerospaziale, naviglio leggero, strutture snelle diedero inpulso a questi studi e furono realizzate e codificate 8 categorie di leghe che si distinguono per composizione chimica e quindi per utilizzo con particolare cura ome resistenza alla corrosione.

    Fu messa a punto la tecnica di raffreddamanto controllato su certe leghe (es: Al-Si-Mg-Mn) per portare il carico di rottura ad un non trascurabile 290 N/mmq e un carico alla proporzionalità 0,2 a 240-260 N/mmq con non diprezzabili allungamenti alla rottura di 8-10%. Una lega del genere, estrudibile, con peso specifico intorno al 2,65 Tonn/mc e costo industriale dopo estrusione dell'ordine dei 5000 dollari/tonnellata è di tutto rispetto.

    Il prodotto finito di grande carpenteria, con un costo comparativo di 12000 dollari/tonnellata rispetto ai 3600 dollari/tonnellata è da prendersi in considerazione e può meritare il costo di attrezzatura e di manodopera.

    Due altri fattori vennero a migliorare la lavorabilità dell'alluminio in lega, a cominciare dall'aeronautica: la possibilità di incollaggio con resine epossidiche, con le cautele del caso, e la saldatura per deformazione meccanica a modesta temperatura, "stir welding" che permette di giuntare pezzi senza alterare termicamente le proprità meccaniche della lamiera.

    Per asportazione di truciolo le leghe sono "facilmente lavorabili" dipendendo l'usura dell'utensile dal comporamento del silicio. Con una modesta lubrificazione (uso acqua e sapone Marsiglia per non ungere superfici che dovranno essere incollate) foratua, tornitura, taglio e maschiatura sono alla stessa portata dell'acciaio e molto meno problematiche di un inox ba. star. do come l'AISI 304 o il cornutissimo X16C20. L'importante è non far "impastare" l'utensile, un onesto angolo di spoglia, affilatura e acqua e sapone (almeno!) evitano i guai. Insomma le solite macchine utensili lo lavorano senza problemi.

    Come taglio fino a lamiere i 20 mm. si taglia sotto pantografo plasma con precisione e facilità, a laser (solo alcune leghe) fino a spessore di 10 mm (dato non aggiornato) con precision tali da permettere ai fori di essere maschiati senza ripasso della punta.

    Per la fusione (personalmente poco conosciuta) le leghe di Al-Si sono eccellenti per la fusione in terra, pressofusioni di buona precisione sono tecnologia acquisita.

    La saldatura è a MIG nel 90% dei casi, con lega adatta, corrente adatta (non solo continua) filo di apporto della lega che si sta saldando. Le leghe indurite risentono del riscaldamanto dovuto alla saldatura, e il carico di rottura nelle zone saldate crolla al 30% per gli indurimenti più spinti (T6) per cui uno studio dei percorsi di saldatura è opportuno nei pezzi pregiati.

    Un confronto con l'acciaio è come dire un confronto fra i vestiti parigini e i vestiti toscani del 17° secolo, si parla della nobiltà, della plebe, dell'estate o dell'inverno?

    Questo per dire che il confronto generico con l'acciaio è difficile.

    In confronto all'acciaio da costruzione, le lege di alluminio strutturale sono convenienti come durata, traportabilità dei prefabbricati e costo per opere medie, un grande ponte di lega leggera non è ancora concepito dall'Ingegneria odierna, per contro devi avere manodopera specializzatissima nei montaggi e progettisti che vanno fino all'ultimo dettaglio: una saldatura in un posto errato non perdona. Per contro devi isolare termicamente per renderlo resistente al fuoco: a 540-580° le leghe diventano molli come una plastilina.

    Per i macchinari dove la leggerezza è importante è usato:

    automobilismo, aeronautica, imbarcazioni e decks superiori delle grandi navi insegnano.

    Il rapporto a parità di robustezza/peso è da 1,5 a 2 l'acciaio dovee gioca anche il fattore di forma di strutture, ad es. sandwitch, alveolari, irrealizzabili in acciaio.

    La dilatazione termica è doppia dell'acciaio, qualcuno grida alla scandalo, però navi "bimetalliche" con 4 ponti in alluminio costruite d'inverno e mandate ai tropici, alla faccia dei 240 metri di lunghezza, non si trovano incurvate come banane nè sfrazzate nella conguinzione bimetallica acciao-alluminio. el resto mi sono trovato un pavimento di alluminio accorciato di 4 mm su 9 metri per il freddo, ma il giunto di dilatazione ha fatto il suo. (senza giunto di dilatazione perfino l'arenaria e il cls sentono la dilatazione, es: Piazza Unità, dopo ripavimentazione, grandi capannoni idustrali)

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    Mi fermo perchè ho divagato, l'argomento dovrebbe prendere un 3000 pagine.

    Devo concludere che le leghe leggere hanno uno specifico ruolo e un confronto con gli acciai deve essere fatto onestamente volta per volta da ingegneri tecnici che operano in scienza e coscienza, privi di pregiudizi, gestendo non pedissequamente le Normative, senza condizionamenti esterni.

    Un saluto a tutti.

    Addendum. Prego rileggere, correzioni di errori di battitura e su valori di carico

    @ giannino: In Italia la cultura delle leghe leggere in edilizia è marginale ma qualche pioniere si cimenta: prova a pensare ad un tetto di lega leggera che pesa 48 kg/mq comprese isolazioni termiche e pannello solare termico, privo di ogni possibilità di spandimenti da posare in 100 mq/giorno compreso il fissaggio in pezzi 6000x2000 pesanti 600 kg l'uno o un poggiolo di 1200x5600 che viene disegnato in Autocad nello studio di ingegneria, file mandato via e-mail, direttamente al pantografo taglio a plasma, saldato, collaudato dimensionalmente e strutturalmente, pitturato che piova o che ci sia sole in fabbrica, portato con camioncino gru in cantiere e avvitato sulla facciata con 16 tiranti pre inghisati con epoxy, stesso per la scala, alle 10 del mattino iniziato, (gruista e 1 tecnico) alle 16 le persone ci camminavano sopra. In tutto 560 kg.

    La parte più difficile? far eseguire una superficie piana di appoggio entro 3 mm in malta cementizia. la soluzione? 6 tasselli, una dima tagliata a misura e riempita di acqua di cemento e legante sintetico, planarità ottenuta, via la dima.

    O un pavimento di 100 mq movimentato in pezzi 6000x2400 p= 480 kg e 4000x2400 prefabbricato compreso il riscaldamento a pavimento, (2 persone + 1 tecnico + gruista + bilancino) dalle 6.30 alle 18.30 compreso l'avvitatura delle parti.

    Dove sta la convenienza? nelle ore di lavoro della m.o. e nel costo ormai equivalente fra m.o. tecnologicamente esperta e m.o. generica.

    Non è fantascienza: è bricolage.

    Per l'acciaio da costruzione. Rimane il principe, grazie ai suoi carichi di snervamanto e la sua tenacia, il peso lo rende sfavorevole per le piccole opere, far crescere un buon saldatore in ferro non è difficile, una attrezzatura per saldatore in acciaio te la cavi con 1500/3200 Euro, mentre per l.l. dai 3000 ai 6000.

    La protezione antcorrosiva dell'acciaio è un discorso serio, molto più serio di una protezione delle leghe leggere queste sono delicate nelle zone di interfaccia fra metalli sopratutto in acqua di mare dove se non usi la lega giusta e non pitturi "vapourtight" l'alluminio si spappola (idrossido di alluminio?), per fortuna le epoxy e le poliuretaniche aiutano moltissimo.

    Per l'Airbus 380 ignoro le scelte e le tecniche e non so come "lavori" la vetroresina, con il suo rischio di delaminazione degli strati, ignoro le tecniche per evitarlo. Di aeronautica so solo che c'è un tubo con le ali e due cosi che fanno rumore perchè si alzi in volo. Costruzioni aeronautiche=zero

    Una opinione sul confronto l.l./compositi ce l'ho per esperienza troppo breve, non la voglio esprimere per insufficiente cultura in merito e quindi rispetto l'altrui, in equilibrio di "competizione" fra le due soluzioni in campo industriale

    Fonte/i: SAPA: Aluminiun extrusion manual ALCOA: catalogue Vari: application notes in aluminium alloys for shipbuildings; Colombo: Manuale dell'ingegnere, 82a edizione Tabelle e articoli da Internet Esperienza diretta.
  • Anonimo
    1 decennio fa

    La mia risposta sarà solo marginale, ma vuol dare uno spunto di riflessione accessorio: non ho mai visto un edificio con strutture portanti in alluminio o sue leghe. Se parliamo di elementi accessori come infissi, grandi vetrate, volte luminose autoportanti ecc. questo può accadere con una certa frequenza. Anche negli autobus per es. i corrimano, le strutture degli schienali ecc. sono in AVIONAL per la leggerezza, evidentemente, ma si tratta sempre di elementi accessori, benché soggetti a sollecitazioni non trascurabili.

    Mi consta, peraltro, che il guscio degli AIRBUS A380 sia in un composito in lega di AL e fibra di vetro, perchè altrimenti l'impatto degli uccelli in velocità sul solo AL lo avrebbe facilmente bucato, con tutto ciò che ne segue (il problema deriva dalle dimensioni dell'aereo, che costrinsero a gusci sottilissimi per ragioni di peso)..

    Ferri e acciai restano, in architettura, materiali strutturali (e non solo) tuttora insuperati per resistenza, durata, adattabilità, capacità di resistere a corrosione galvanica ecc., oltre alla enorme versatilità dovuta alla varietà dei tipi prodotti e delle caratteristiche che riescono ad esprimere: basta pensare al Cor-Ten, per es.

    Domani, chissà ... :)

    Di parti meccaniche non me ne intendo, ma credo proprio che gli altri ti abbiano risposto in maniera + che esauriente e con gran competenza.

    Bye,

    G.

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    PS: intendo, ovviamente, edifici di una certa importanza e dimensione o grandi strutture, non i prefabbricati superleggeri tipo casa "Dimaxion" di Richard Buckminster Fuller, sui quali peraltro ci sarebbe da finanziare e incrementare notevolmente la ricerca.

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    @ Giorgio

    Sicuramente ci sono pionieri che si cimentano con strutture in lega di Al e ben vengano, ma un tetto (specie non praticabile) è pur sempre una struttura portata e cmq destinata a reggere carichi relativamente modesti (p.p., neve, vento ecc.).

    Finora, intendevo, non ho visto per es. edifici di 12 piani con ritti e pilastri in lega leggera. Poi, certo, gli edifici sono problematici perché tecnologicamente arretrati: quanta massa inutile e non collaborante staticamente c'è in un edificio, non si ha idea, in generale. Tutto sommato l'ossatura intelaiata sarà un 10-20%: il resto sono solo pesi morti. Che poi si pagano cari, soprattutto nei sismi.

    La tecnica delle costruzioni progredisce alquanto lentamente, purtroppo: non in sede teorica, ma nella cantieristica. E' un discorso lungo.

    In Italia, poi, non abbiamo una cultura della gestione e manutenzione dell'acciaio, per es.: non tanto della realizzazione. Avrei più di qualche aneddoto curioso da raccontare. Il fatto è che il ben più pesante calcestruzzo armato e precompresso ci ha, nel bene e nel male, dato la possibilità di costruire già da prima del 1945, in quanto storicamente l'acciaio dovevamo importarlo e ci costava caro. Oggi, certo, le cose sono un po' differenti, con la U.E., ma complessivamente siamo un po' in arretrato.

    Nemmeno io m'intendo di aerei, ma l'A380 so per certo che è realizzato in composito. Aerei e navi mi interessano e mi incuriosiscono perché, a parte il fatto che sono velista, si tratta di gusci portanti, quindi di strutture interamente collaboranti e col minimo peso morto.

    Naturalmente la mia è una passione inutile, dal punto di vista professionale, perché nessuno, a parte casi eccezionali mai capitatimi nella realtà, ti chiederà edifici leggeri e resistenti tipo guscio portante, ma la coltivo ugualmente: hai visto mai? ;)

    Ciao,

    G.

    /

  • 1 decennio fa

    La differenza più facilmente visibile sta nella leggerezza di cui è dotato l'alluminio rispetto all'acciaio.

    In secondo luogo mentre l'acciaio necessita di trattamenti speciali x essere reso meno attaccabile o completamente inattaccabile dall'ossidazione l'alluminio ha la particolarità di ossidarsi solo superficialmente producendo uno strato protettivo di ossido che protegge il resto del manufatto, in tal senso l'alluminio viene detto "autopassivante".

    Tuttavia le doti meccaniche dell'alluminio sono inferiori a quelle dell'acciaio, è più fragile, e meno duttile, ed in molti casi invece di deformarsi in "maniera malleabile" presenta più velocemente linee di frattura.

    E' a seconda dell'applicazione che è più adeguato uno o l'altro.

    Cmq l'alluminio, può essere legato con altri metalli, priimo tra tutti è il titanio, che dota l'alluminio di una molto maggiore durezza, ma di pari passo ne accentua anche la fragilità.

    Più un materiale è duro più è "fragile" al colpo, xké non reagisce piegandosi ma fratturandosi.

    Inoltre le leghe di alluminio con titanio o altri metalli particolari sono molto più costose delle varie tipologie di acciaio.

    La scelta tra acciaio o alluminio sta nell'utilizzo che se ne vuole fare.

  • 1 decennio fa

    leggerezza lavorabilità e resistenza all' ossidazione.

    Questi vantaggi li paghi con una minore resistenza meccanica, minore elasticità e minore resistenza all' usura, per questa ragione non si fabbricano ingranaggi o alberi in alluminio

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  • Gianni
    Lv 7
    1 decennio fa

    Alluminio:

    pro: non si corrode, leggero, richiede basse potenze di taglio alle macchine utensili (almeno credo);

    contro: costo elevato, "impasta" gli utensili se non sono appositi, e soprattutto

    NON HA UN LIMITE DI FATICA

    Acciaio:

    pro: costi ridotti e alla fin dei conti ci puoi fare un po' di tutto senza troppi problemi, limite di fatica definito

    contro: si corrode facilmente se non vengono prese opportune contromisure.

    Fonte/i: Conoscenze generali.
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