Duttilità e malleabilità dei metalli: cosa sono, differenze e misure

La duttilità è la capacità di un materiale di deformarsi plasticamente sotto trazione senza rompersi. La malleabilità è la capacità di deformarsi plasticamente sotto compressione senza rompersi.

Duttilità e malleabilità sono due termini spesso usati come sinonimi. In realtà descrivono due comportamenti distinti dello stesso fenomeno: la capacità di un metallo di deformarsi plasticamente senza rompersi. La differenza riguarda la direzione della deformazione e comprenderla non è un semplice esercizio teorico: ha conseguenze dirette sulla scelta del materiale, sulla lavorabilità e sul comportamento del componente in esercizio.

Questa guida spiega cosa sono duttilità e malleabilità, quali sono le differenze, come si misurano, quali metalli sono più duttili e malleabili e perché questi valori sono importanti nella progettazione di componenti lavorati CNC. I valori riportati fanno riferimento ai materiali disponibili per la lavorazione CNC online su Weerg e ai materiali per stampa 3D del nostro profilo.

Cos'è la duttilità

La duttilità è la capacità di un materiale di deformarsi plasticamente sotto sforzo di trazione senza rompersi. In pratica, è la proprietà che consente di tirare un metallo fino a trasformarlo in un filo sottile mediante trafilatura, di allungarlo prima della rottura e di assorbire deformazioni in esercizio senza cedere improvvisamente.

Un metallo duttile, sottoposto a trazione, si allunga progressivamente e forma una strizione, cioè un restringimento della sezione, prima di rompersi. Un metallo fragile, invece, si rompe bruscamente, senza deformazioni apprezzabili né segnali evidenti.

La duttilità:

• permette la trafilatura di fili di rame, alluminio, acciaio e oro;
• consente ai componenti strutturali di ridistribuire le sollecitazioni nelle zone più caricate, evitando cedimenti improvvisi;
• offre al progettista un margine di sicurezza, perché un componente duttile si deforma visibilmente prima di rompersi, segnalando il sovraccarico;
• rende possibile la formatura a freddo, come piegatura, imbutitura e stampaggio.

Come si misura la duttilità

La duttilità si misura attraverso la prova di trazione secondo ISO 6892-1 per i metalli e ASTM E8/E8M, utilizzando due parametri complementari.

Allungamento a rottura (A%)
Indica la deformazione plastica percentuale misurata sul provino dopo la rottura. Un acciaio S235 con A% = 26, per esempio, si è allungato del 26% prima di rompersi. Più alto è il valore di A%, maggiore è la duttilità del materiale.

Coefficiente di strizione (Z%)
Indica la riduzione percentuale della sezione trasversale nella zona di rottura e misura la deformazione in direzione trasversale. Un valore Z% del 60% significa che la sezione si è ridotta del 60% prima della frattura. Rispetto ad A%, è un indicatore più sensibile alla qualità metallurgica del materiale.

I due parametri sono complementari: A% misura quanto il materiale si allunga, mentre Z% misura quanto si restringe. Entrambi descrivono la capacità del metallo di deformarsi plasticamente, ma da prospettive diverse.

Cos'è la malleabilità

La malleabilità è la capacità di un materiale di deformarsi plasticamente sotto sforzo di compressione senza rompersi. È la proprietà che consente di schiacciare un metallo fino a trasformarlo in una lamina sottile mediante laminazione, oppure di martellarlo, forgiarlo e coniarlo.

Un metallo malleabile può essere ridotto in lastre sempre più sottili senza fessurarsi. L'oro è il metallo più malleabile: può essere trasformato in foglie con uno spessore inferiore a 0,1 µm.

La malleabilità:

• permette la laminazione di lastre e nastri;
• rende possibile la forgiatura, mediante lavorazione a caldo o a freddo;
• consente la coniatura di monete e medaglie;
• è alla base della produzione della foglia d'oro e di rivestimenti metallici sottilissimi.

Come si misura la malleabilità

A differenza della duttilità, la malleabilità non è definita da un parametro normato universale paragonabile all'allungamento a rottura. In pratica viene valutata attraverso diverse prove.

Prova di compressione
Un provino cilindrico viene compresso e si misura la deformazione raggiunta prima della comparsa di cricche sui bordi. Maggiore è la deformazione sopportata senza cricche, maggiore è la malleabilità del materiale.

Prova di schiacciamento (upset test)
È una variante della prova di compressione utilizzata per valutare la forgiabilità. Il campione viene compresso fino a una riduzione prestabilita dell'altezza, tipicamente del 50% o del 75%, verificando che non compaiano cricche.

Rapporto di riduzione in laminazione
Nella pratica industriale, la malleabilità può essere valutata in base allo spessore minimo raggiungibile mediante laminazione senza fessurazioni o alla riduzione percentuale ottenibile per ogni passata.

Prova di piegatura
Un provino piatto viene piegato attorno a un mandrino di raggio definito e si verifica l'eventuale comparsa di cricche. Il raggio minimo di piegatura senza fessurazioni fornisce un'indicazione pratica della capacità del materiale di deformarsi senza rompersi.

Differenza tra duttilità e malleabilità

I due concetti sono strettamente collegati, perché entrambi descrivono la capacità di un materiale di deformarsi plasticamente, ma indicano comportamenti diversi.

Il punto chiave è che duttilità e malleabilità non coincidono necessariamente. La maggior parte dei metalli strutturali, come acciai dolci, alluminio e rame, presenta entrambe le proprietà, ma in misura diversa.

Perché non sono la stessa cosa

La ragione fisica è che i meccanismi di deformazione e frattura a livello cristallino rispondono in modo diverso allo stato di sforzo. In compressione, cricche, porosità e difetti interni tendono a richiudersi, permettendo al materiale di sopportare deformazioni maggiori. In trazione, invece, gli stessi difetti favoriscono la formazione e la propagazione delle cricche, limitando la deformazione prima della rottura.

Fattori che influenzano duttilità e malleabilità

Diversi fattori determinano la duttilità e la malleabilità di un metallo. Conoscerli aiuta a prevederne il comportamento durante la lavorazione e in esercizio.

Struttura cristallina

I metalli con struttura CFC (cubica a facce centrate), come rame, alluminio, nichel, oro, argento e acciai austenitici, sono generalmente molto duttili e malleabili perché dispongono di numerosi sistemi di scorrimento lungo i quali le dislocazioni possono muoversi facilmente.

I metalli CCC (cubici a corpo centrato), come ferro α, cromo, tungsteno e molibdeno, hanno un comportamento più sensibile alla temperatura. Molti materiali con questa struttura possono presentare una transizione duttile-fragile alle basse temperature, con una forte riduzione della tenacità e della deformabilità.

I metalli EC (esagonali compatti), come magnesio, zinco e titanio α, dispongono di meno sistemi di scorrimento attivi a temperatura ambiente e sono generalmente meno deformabili. La loro lavorabilità migliora sensibilmente con l'aumento della temperatura.

Temperatura

In generale, duttilità e malleabilità aumentano con la temperatura, perché il movimento delle dislocazioni diventa più facile e si attivano ulteriori meccanismi di deformazione.

La forgiatura a caldo sfrutta proprio questo principio. L'acciaio intorno a 1.100 °C è molto più deformabile che a temperatura ambiente, mentre molte leghe di titanio vengono formate a temperature elevate per facilitarne la lavorazione.

Gli acciai ferritici possono presentare una transizione da duttile a fragile al diminuire della temperatura. La soglia dipende da composizione, microstruttura, spessore e velocità di deformazione. Per applicazioni criogeniche si utilizzano spesso acciai austenitici, la cui struttura CFC mantiene una buona tenacità anche a temperature molto basse.

Composizione e microstruttura

Negli acciai, l'aumento del contenuto di carbonio tende a ridurre la duttilità e ad aumentare resistenza e durezza. Anche gli elementi di lega possono ostacolare il movimento delle dislocazioni, anche se il loro effetto dipende dalla composizione e dalla microstruttura ottenuta.

I trattamenti termici modificano profondamente la deformabilità. Un acciaio ricotto è generalmente più duttile dello stesso materiale temprato e rinvenuto, mentre una struttura prevalentemente martensitica non rinvenuta presenta elevata durezza ma duttilità molto ridotta.

Velocità di deformazione

La velocità di deformazione può influenzare sensibilmente la duttilità. In molti metalli, sollecitazioni molto rapide come urti e impatti favoriscono un comportamento meno duttile rispetto alle prove quasi statiche, anche se l'effetto varia in funzione del materiale e della temperatura.

Per applicazioni soggette a impatto, quindi, i valori riportati nelle schede tecniche ottenuti con prove quasi statiche non descrivono sempre completamente il comportamento reale.

Difetti e inclusioni

Inclusioni non metalliche, porosità, segregazioni e difetti superficiali possono agire come punti di innesco della frattura, riducendo duttilità e malleabilità. A parità di composizione, un acciaio con maggiore pulizia metallurgica presenta generalmente una migliore capacità di deformarsi senza rompersi.

I metalli più duttili e più malleabili

Classifica dei metalli duttili (per allungamento a rottura)

Classifica dei metalli malleabili

Non esiste una scala standardizzata equivalente a quella utilizzata per la duttilità. Per i metalli puri, un ordine indicativo di malleabilità è il seguente.

• Oro, può essere battuto in foglie di spessore inferiore a 0,1 µm
• Argento, facilmente riducibile in fogli molto sottili
• Alluminio, altamente laminabile e utilizzato per fogli di pochi micrometri
• Rame, facilmente laminabile e forgiabile
• Stagno, molto deformabile e storicamente utilizzato per produrre sottili fogli metallici
• Piombo, molto malleabile grazie alla bassa resistenza alla deformazione
• Zinco, poco deformabile a temperatura ambiente ma più malleabile intorno a 100 e 150 °C
• Ferro e acciai dolci, facilmente forgiabili e laminabili
• Nichel, duttile e malleabile, soprattutto allo stato ricotto
• Titanio, più difficile da deformare a freddo ma molto più lavorabile a caldo

La malleabilità varia sensibilmente con la temperatura. Un materiale poco deformabile a temperatura ambiente può diventare molto più malleabile durante la lavorazione a caldo.

Duttilità e malleabilità nella progettazione

Per il progettista, duttilità e malleabilità non sono proprietà astratte: influenzano direttamente il comportamento strutturale e la lavorabilità del componente.

Sicurezza strutturale

Un componente realizzato con un materiale duttile può deformarsi sensibilmente prima della rottura, fornendo un segnale evidente del sovraccarico. Un materiale fragile, invece, può cedere con deformazioni molto limitate. Per questo molte norme strutturali prevedono requisiti minimi di duttilità, oltre a quelli di resistenza.

Per gli acciai strutturali, valori come l'allungamento a rottura A% e il rapporto tra resistenza a trazione e snervamento Rm/Re contribuiscono a definire la capacità del materiale di deformarsi plasticamente prima della rottura. I valori richiesti dipendono dal grado, dallo spessore e dalla norma applicabile.

Ridistribuzione delle sollecitazioni

In una struttura iperstatica, le zone più sollecitate possono plasticizzarsi e ridistribuire parte del carico verso quelle meno sollecitate. Questo comportamento richiede una duttilità sufficiente. Nei materiali fragili, invece, la capacità di redistribuzione è molto più limitata e una rottura locale può propagarsi rapidamente.

Formabilità

Duttilità e malleabilità influenzano la lavorabilità per deformazione plastica, quindi operazioni come piegatura, imbutitura, stampaggio, forgiatura e trafilatura. Un metallo sufficientemente duttile può essere piegato o imbutito senza sviluppare cricche, mentre una buona malleabilità facilita laminazione e forgiatura.

Il raggio minimo di piegatura, fondamentale nella progettazione delle lamiere, dipende anche dalla duttilità. Un acciaio inox 304, molto duttile, può generalmente essere piegato con raggi più stretti rispetto a una lega di alluminio 7075 T6, sensibilmente meno deformabile.

Comportamento agli urti e assorbimento di energia

Nelle applicazioni dove il componente deve assorbire energia (protezioni, paraurti, crash box, guardrail), la duttilità è fondamentale. L'energia assorbita corrisponde all'area sotto la curva sforzo deformazione e dipende quindi dalla combinazione tra resistenza meccanica e capacità del materiale di deformarsi prima della rottura.

Lavorabilità CNC

La duttilità influenza anche la lavorabilità alle macchine utensili, ma non sempre in modo favorevole. Materiali molto duttili, come rame e alluminio puri, tendono a generare trucioli lunghi e continui che possono avvolgersi sull'utensile e peggiorare la qualità superficiale. La ghisa grigia, invece, produce generalmente trucioli corti e facilmente evacuabili.

Tra i materiali con buona lavorabilità CNC rientrano quelli la cui composizione e microstruttura favoriscono la rottura del truciolo, come gli ottoni, gli acciai da tornitura automatica e diverse leghe di alluminio da lavorazione (serie 2xxx e 6xxx trattati T6).

Per esempio, per un pezzo fresato, l'alluminio 6082-T6 è spesso la scelta più equilibrata quando contano lavorabilità, resistenza alla corrosione, saldabilità e costo: è adatto a staffe, piastre, supporti, carter e componenti meccanici generici.

L'alluminio 7075-T6 è preferibile quando il componente deve massimizzare il rapporto resistenza/peso o sostenere carichi e cicli di fatica più elevati, ad esempio in parti aerospaziali e meccaniche ad alte prestazioni. Offre prestazioni meccaniche superiori, ma costa di più, è meno resistente alla corrosione naturale ed è difficile da saldare.

Regola pratica: 6082 per il miglior compromesso tra prestazioni, lavorabilità e versatilità; 7075 quando la resistenza meccanica giustifica il costo e le maggiori attenzioni progettuali. Nel servizio di lavorazioni CNC di Weerg puoi confrontare materiali, finiture e tempi di produzione partendo dal file 3D.

Duttilità e malleabilità nei polimeri

Il termine malleabilità è poco utilizzato per i polimeri, perché appartiene principalmente alla terminologia metallurgica. La duttilità, invece, è applicabile anche ai materiali polimerici e descrive la capacità di sviluppare deformazioni significative prima della rottura, spesso valutata attraverso l'allungamento a rottura.

Alcuni valori indicativi per materiali utilizzati nella produzione on demand:

Nel caso del TPU, un elevato allungamento a rottura non corrisponde necessariamente a un'elevata duttilità in senso stretto. Trattandosi di un elastomero, gran parte della deformazione è elastica e reversibile, mentre nei materiali duttili la deformazione prima della rottura comprende una componente plastica permanente significativa.

Conclusione

Duttilità e malleabilità descrivono due aspetti distinti della capacità di un materiale di deformarsi plasticamente senza rompersi. La duttilità riguarda principalmente il comportamento in trazione, mentre la malleabilità descrive la capacità di deformarsi sotto compressione. In progettazione, la duttilità è spesso il parametro più utilizzato perché influenza sicurezza strutturale, formabilità, comportamento agli urti e lavorabilità alle macchine utensili. La malleabilità è invece particolarmente rilevante nei processi di laminazione, forgiatura e deformazione plastica.

Conoscere parametri come allungamento a rottura A%, coefficiente di strizione Z% e raggio minimo di piegatura, insieme ai fattori che li influenzano, permette di dimensionare componenti più affidabili, scegliere correttamente i processi produttivi e valutare i materiali con criteri ingegneristici coerenti.

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Domande frequenti su duttilità e malleabilità