Perché le linguette delle bevande possono rompersi quando piegate?

Molte persone hanno avuto l'esperienza di spostare la linguetta di una lattina di alluminio avanti e indietro fino a quando non si rompe. Di solito bastano pochi movimenti avanti e indietro completi prima che la scheda si interrompa.

Lattina di alluminio con linguetta di sostegno

Qual è la causa principale della rottura della scheda?

Le possibili cause sembrano essere:

Una frattura da fatica.
Un sovraccarico del metallo.
Un risultato di deformazione plastica.

Ma quale è?

— hazzey
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Sono abbastanza sicuro che ciò dipenda principalmente dalla risposta alla sollecitazione da sforzo di un materiale sotto carico ciclico che supera lo stress da snervamento, ma potrei dover comprare una lattina di qualcosa sulla strada di casa per verificare sperimentalmente i miei pensieri.

— Trevor Archibald,

Risposte:

Ogni volta che pieghi l'alluminio al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, i grani macroscopici diventano più piccoli: questo è noto come lavoro a freddo. I lati della linguetta sono allungati o compressi. L'effetto è lo stesso dell'esempio a rotazione in basso. Questa è davvero una deformazione plastica: la linguetta rimane in posizione e non si piega all'indietro e rimane in posizione.

lavoro a freddo

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Quello che hai appena fatto è di rendere più difficile che quei grani scivolino l'uno sull'altro, rendendo il materiale più duro e aumentandone la forza. Tuttavia, lo hai anche reso molto meno duttile (e più fragile). Se pieghi un cucchiaio, è difficile riportarlo nella forma corretta. Questo perché quella zona è stata lavorata a freddo ed è più rigida del metallo circostante.

grafico

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Lo stesso accade con la tua linguetta in alluminio, tranne per il fatto che arriva un punto in cui scatta. Puoi pensarlo come il raggio sotto: lo stai piegando con una deflessione fissa che corrisponde ad un certo angolo θ. Ad un certo punto quando la duttilità diminuisce, supererai il limite di deformazione e si spezzerà.

curvatura

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Sebbene possa sembrare fatica, dal punto di vista ingegneristico non è davvero il termine corretto da usare. La fatica è usata per descrivere i problemi che si presentano in genere dopo diverse migliaia di cicli di carico.

— BeyondLego
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Voglio fare +1 ma penso che ci siano alcune idee sbagliate che devono essere chiarite. (1) I grani non si riducono, il volume viene (approssimativamente) conservato nella deformazione plastica. Cambiano solo forma. (2) I grani non scivolano l'uno rispetto all'altro. Invece, le pianure atomiche nei singoli granuli scivolano a causa delle lussazioni. Le dislocazioni si accumulano man mano che procede la scivolata, causando indurimento del lavoro, che dovresti menzionare. Ciò provoca cambiamenti nella forma del grano. (3) L'indurimento del lavoro provoca l'aumento della forza e la diminuzione della duttilità, vedere il wiki

— wwarriner,

(4) Mentre la deformazione plastica continua oltre la resistenza alla trazione del metallo, inizia il collo. La teoria alla base di ciò che accade dopo a livello microstrutturale non è del tutto chiara, ma si ritiene che quando si verifica il collo, le dislocazioni su nanoscala si accumulano al punto in cui iniziano a formare pori su microscala e siti di iniziazione a fratture. Una volta che ciò accade, i pori agiscono come concentratori di stress, creando un'ulteriore deformazione vicino ai pori, causandone l'espansione e infine l'unione o la fusione. Man mano che i pori si uniscono, si formano delle crepe su macroscala.

— wwarriner,

Man mano che i pori si allargano, meno materiale collega i due lati della zona del collo e lo stress continua a concentrarsi sul materiale rimanente, accelerando la deformazione data la forza costante. Puoi effettivamente sentire che ciò accade quando la linguetta è piegata avanti e indietro. Alla fine, le ultime connessioni tra le due parti si rompono, portando alla rottura macroscale finale e la scheda si interrompe.

— wwarriner,

La fatica è la sollecitazione di un materiale dovuta al carico ciclico. Il miglior confronto è un elastico. Quando lo tiri più e più volte si allunga perché la fatica sta causando l'usura dell'elasticità e diventa sempre più plastica fino a quando la fascia non si spezza. Mentre tecnicamente la linguetta si rompe a causa della deformazione plastica, la frattura da fatica sarebbe più corretta se la deformazione plastica non provoca una frattura fino a quando la linguetta non viene caricata significativamente più volte di quanto il ciclo di vita intenda.

— C0V3RT_KN1GHT
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Non sono d'accordo, non penso che la fatica sia davvero una considerazione quando la parte dura 3 cicli. Il carico ciclico è un fattore, ma è più perché la deformazione plastica rimane dopo che la linguetta viene riportata nella sua posizione naturale.

— Trevor Archibald,

@TrevorArchibald potremmo dividere i peli qui, ma quello che stai descrivendo sembra essere quello che viene definito "affaticamento a basso ciclo" .

— Dan

Quel collegamento dice "fatica a ciclo basso". è di 10.000 cicli o meno. 3 è in effetti inferiore a 10.000, ma penso ancora che siamo più nel range di deformarlo plasticamente fino a quando non si rompe. Il caricamento a fatica non andrà comunque oltre l'UTS o il limite di allungamento del materiale, penso che questa modalità di guasto lo faccia.

— Trevor Archibald,

La fatica (per quanto ne so) si applica solo quando il carico è inferiore allo stress di snervamento del materiale, il che non è sicuramente il caso qui poiché si deforma plasticamente ad ogni curva.

— BeyondLego,

L'entità di questa deformazione è su una scala totalmente diversa da quella che ci si aspetterebbe in uno scenario di caricamento ciclico. È possibile interrompere la scheda senza nemmeno eseguire un ciclo completo. La risposta a freddo / infragilimento va direttamente alla causa principale senza richiedere il caso speciale del caricamento ciclico, quindi penso che sia un po 'meglio una spiegazione.

— Air

Quasi tutti hanno in parte ragione. Si può fallire la trazione dell'anello per semplice sovraccarico in un "ciclo" oppure si può accumulare deformazione plastica in tre o quattro cicli. Normalmente questo non dovrebbe essere considerato nemmeno un affaticamento a ciclo ridotto, ma non so che esiste un limite inferiore a quanti cicli può essere applicata la Legge di Parigi.

— RDT2
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