Qual è la densità dell'alluminio? Definizione, dati e confronto

1.0 Definizione di base e descrizione numerica

L'alluminio è un materiale industriale molto diffuso grazie alla sua bassa densità – circa un terzo di quella dell'acciaio – e all'elevato rapporto resistenza/peso. Questo lo rende leggero ma resistente, facile da lavorare e adatto a numerosi usi industriali.

1.1 Cos'è la densità?

La densità si riferisce alla massa di una sostanza per unità di volume. È comunemente rappresentata dalla lettera greca ρ (rho) o dalla lettera D (per Densità). Matematicamente, la densità è definita come il rapporto tra massa e volume:

ρ = m / V

Dove:
ρ = densità
m = massa
V = volume

Definizione

La densità è la quantità di massa contenuta in un'unità di volume di una sostanza. Cioè,

ρ = M / V

Dove M è la massa e V è il volume dell'oggetto. Per i materiali con distribuzione uniforme della massa, la formula della densità può essere semplificata in questa forma matematica di base.

In altre parole, la densità è definita come il “rapporto” tra massa e volume.

1.2 Dati di base sulla densità dell'alluminio

• La densità dell'alluminio è di circa 2.710 kg/m³.
• Le leghe di alluminio hanno una densità simile, che in genere varia da da 2.640 a 2.810 kg/m³.

1.3 Qual è la densità dell'alluminio puro?

La densità si riferisce alla massa contenuta in un'unità di volume di una sostanza.

La densità dell'alluminio puro è di circa 2,7 g/cm³, anche se può variare leggermente a seconda del suo stato fisico.

• In forma solida, la densità dell'alluminio puro è 2.699 kg/m
• In forma liquida, la densità oscilla leggermente tra 2.697 e 2.699 kg/m³.
  • Ad esempio, a 973 mila, la densità dell'alluminio liquido è 2.357 kg/m³;
  • A 1.173 mila, diminuisce a 2.304 kg/m³.

1.4 Confronto della densità con i metalli comuni:

1.5 Principali vantaggi dell'alluminio grazie alla sua densità unica

• Leggero:La bassa densità rende l'alluminio leggero e facile da maneggiare: ideale per la produzione di aeromobili.
• Resistenza alla corrosione:Forma uno strato protettivo di ossido che previene la ruggine e la corrosione.
• Riciclabile:100% riciclabile, ecologico e conveniente da riciclare senza perdita di qualità.
• Alta conduttività:Conduttività elettrica doppia rispetto al rame in peso; ottimo conduttore termico

1.6 Differenze di densità tra i materiali in alluminio

L'alluminio puro ha in genere una densità di circa 2,7 g/cm³, ma la presenza di leghe può causare leggere variazioni. Elementi di lega più pesanti ne aumentano il peso. Ad esempio, le leghe della serie 1xxx sono vicine all'alluminio puro, considerato alluminio commerciale con purezza 99%.

Al contrario, le leghe delle serie 7xxx e 8xxx possono avere densità fino a circa 2,9 g/cm³. Nello specifico, la lega di alluminio 7075 ha una densità di 2,81 g/cm³, superiore a quella di altre leghe, ed è una delle leghe di alluminio più resistenti disponibili: la sua resistenza alla trazione è quasi il doppio di quella dell'alluminio 6061.

È interessante notare che le leghe della serie 4xxx, principalmente legate al silicio, possono avere una densità inferiore ai 2,7 g/cm³ dell'alluminio puro, poiché il silicio riduce la densità dell'alluminio.

1.7 Proprietà fisiche

• L'alluminio è facilmente riconoscibile per il suo colore bianco-argento con una leggera sfumatura bluastra.
• L'alluminio puro è un metallo morbido, ma diventa più duro e resistente se unito a una lega.
• Grazie alla sua morbidezza, l'alluminio può essere martellato fino a ottenere fogli molto sottili.
• È duttile, il che consente di modellarlo o piegarlo in base alle esigenze del progetto.
• L'alluminio è un ottimo conduttore di elettricità e calore e resiste alla corrosione formando uno strato protettivo di ossido.

1.8 Proprietà chimiche

• L'alluminio presenta diverse proprietà chimiche ed è presente principalmente sotto forma di composti nel minerale di bauxite, una miscela di alluminio, ossigeno e altri elementi. La bauxite è la fonte primaria di alluminio.
• Quando esposto all'ossigeno, l'alluminio reagisce lentamente formando uno strato protettivo di ossido di alluminio.
• L'alluminio reagisce con molti liquidi, tra cui gli acidi caldi e l'acqua calda.
• Reagisce anche con basi come l'acqua di calce e l'idrossido di sodio e forma leghe ad alta resistenza se combinato con elementi come magnesio, rame e silicio.

1.9 Variazione della densità nelle leghe di alluminio

• Effetto lega:Gli elementi di lega come Mg, Si, Cu e Zn causano lievi variazioni di densità nelle leghe di alluminio, influenzandone le proprietà meccaniche e la versatilità.
• Altri fattori:Anche la lavorazione, la granulometria, la temperatura, la tempra, il trattamento termico, i rivestimenti, l'idratazione e le impurità influiscono sulla densità.
• Intervallo di densità:La densità dell'alluminio puro è di circa 0,1 lb/in³ (2.700 kg/m³). Le leghe di alluminio variano leggermente, ma rimangono molto più leggere dell'acciaio.

2.0 Impatto della densità dell'alluminio sulla progettazione e sulle applicazioni industriali

Design leggero

Ampiamente utilizzato nei settori automobilistico, aerospaziale e ferroviario per ridurre il peso e migliorare l'efficienza energetica.

Esempio: le portiere in lega di alluminio delle auto pesano 30–50% in meno rispetto alle portiere in acciaio.

Equilibrio tra costo, densità e resistenza

Bassa densità non significa sempre migliore: per una progettazione ottimale è necessario tenere in considerazione anche resistenza e rigidità.

La resistenza specifica (rapporto resistenza/peso) è un parametro fondamentale per la valutazione delle prestazioni dei materiali.

Vantaggi dei profili in alluminio e dei tubi cavi

Struttura cava + bassa densità = prestazioni superiori per unità di volume.

3.0 Perché la densità dell'alluminio è importante nella lavorazione CNC

Efficienza nella movimentazione e lavorazione dei materiali

• La bassa densità dell'alluminio lo rende più leggero e facile da maneggiare rispetto all'acciaio o al titanio, migliorando l'efficienza della lavorazione.
• I materiali più leggeri riducono il carico delle macchine CNC, prolungando la durata degli utensili e riducendo la manutenzione.

Usura degli utensili e forze di taglio

• Per lavorare l'alluminio sono necessarie forze di taglio inferiori, riducendo l'usura degli utensili e prolungandone la durata.
• La forza di taglio ridotta consente velocità di taglio e avanzamenti più elevati, aumentando la produttività.

Gestione termica

• La buona conduttività termica dell'alluminio aiuta a dissipare il calore durante la lavorazione, prevenendo dilatazioni termiche, deformazioni o deformazioni.
• Una gestione efficiente del calore garantisce precisione dimensionale e qualità della finitura superficiale.

Tasso di rimozione del materiale (MRR)

• Una bassa densità determina un MRR più elevato rispetto ai materiali più densi, consentendo una rimozione più rapida del materiale e tempi di lavorazione più brevi.

Precisione dimensionale e finitura superficiale

• La lavorabilità dell'alluminio, supportata dalla sua densità e dalle sue caratteristiche di taglio, consente un controllo rigoroso delle tolleranze e finiture superficiali di alta qualità, essenziali per applicazioni di precisione.

4.0 Relazione tra densità e altre proprietà

1. Effetto degli stati di trattamento termico: Trattamenti termici come T6, T4 e O non modificano significativamente la densità dell'alluminio, ma possono influenzare leggermente il volume, influenzando i calcoli teorici.
2. Relazione con Conduttività termica: L'alluminio ha un'elevata conduttività termica (~235 W/m·K) combinata con una bassa densità, il che lo rende un materiale eccellente per la dissipazione del calore (ad esempio, dissipatori di calore, staffe per LED).
3. Compromesso con l'elettrico Conduttività: La conduttività elettrica dell'alluminio è inferiore a quella del rame, ma la sua densità è pari solo a circa un terzo di quella del rame, motivo per cui l'alluminio è ampiamente utilizzato come sostituto nella trasmissione di energia ad alta tensione.

5.0 Fattori che influenzano la densità dell'alluminio

Elementi di lega: L'alluminio viene spesso legato con metalli come rame, magnesio, manganese, silicio e zinco per migliorarne le proprietà meccaniche. Questi elementi alterano leggermente la densità finale della lega, che in genere varia da 2,66 g/cm³ a 2,80 g/cm³ a seconda della composizione.

Temperatura: Come la maggior parte dei materiali, la densità dell'alluminio diminuisce all'aumentare della temperatura a causa dell'espansione termica, e aumenta quando viene raffreddato a causa della contrazione. Gli effetti di espansione/contrazione termica devono essere considerati nelle applicazioni con ampie variazioni di temperatura.

Porosità: I processi di produzione possono introdurre porosità nell'alluminio, riducendone la densità complessiva. La fusione può creare vuoti o pori all'interno del materiale, mentre le tecniche di produzione avanzate (inclusa la lavorazione CNC) riducono al minimo la porosità e garantiscono proprietà costanti del materiale.

6.0 Come misurare la densità dell'alluminio (guida scientifica popolare)

6.1 Materiali e attrezzature necessari:

1. Piccolo oggetto metallico che può essere completamente immerso nell'acqua
2. Bilancia con gancio sottostante per pesare oggetti sospesi, risoluzione di almeno 0,01 g (vedere nota se la bilancia non è dotata di questa caratteristica)
3. Filo metallico (una graffetta piegata funziona bene) per appendere l'oggetto al gancio di bilanciamento
4. Supporto o piattaforma per mantenere l'equilibrio in modo che l'oggetto possa pendere liberamente sotto
5. Becher sufficientemente grande da immergere completamente l'oggetto senza rovesciarlo
6. Supporto per tenere il becher sotto la bilancia all'altezza corretta
7. Acqua del rubinetto
8. Calcolatrice
9. Filo di nylon (come il filo da pesca) o materiale leggero simile per sospendere l'oggetto
10. Guanti monouso in nitrile (soprattutto quando si maneggiano metalli che potrebbero contenere piombo)
11. Opzionale: Morsetto per fissare il supporto per l'equilibrio sul bordo di un tavolo o di un bancone

6.2 Procedura passo passo:

1. Rimuovere il coperchio inferiore della bilancia per esporre il gancio interno.
2. Posizionare la bilancia su un supporto dotato di foro in modo che il gancio sia accessibile.
3. Fissare il gancio in filo metallico al gancio interno, quindi tarare (azzerare) la bilancia.
4. Appendere l'oggetto metallico utilizzando un filo di nylon sul gancio sotto la bilancia e pesarlo in aria.
5. Riempi il becher con acqua e posizionalo sotto l'oggetto sospeso.
6. Sollevare il becher fino a quando l'oggetto non è completamente immerso. Utilizzare un supporto per mantenere il becher all'altezza corretta. Assicurarsi che non vi siano bolle d'aria sopra o all'interno dell'oggetto.
7. Pesare l'oggetto sommerso.
8. Calcolare la densità utilizzando la formula seguente.
9. Confrontare la densità calcolata con le densità note di metalli e leghe ricavate dalle tabelle di riferimento.
10. Se necessario, ripetere i passaggi da 4 a 9 per altri campioni.

6.3 Formula di calcolo della densità:

ρ = (m_aria) / (m_aria – m_acqua) × ρ_acqua

Dove:

• ρ = densità dell'oggetto (g/cm³)
• m_air = massa dell'oggetto nell'aria (g)
• m_acqua = massa apparente dell'oggetto quando immerso in acqua (g)
• ρ_acqua = densità dell'acqua (circa 0,998 g/cm³ a 20°C o 0,997 g/cm³ a 25°C)

Riferimenti:

https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html

https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Density

https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity