Dlaczego zakładki na napoje pękają po zgięciu?

Większość ludzi miała doświadczenie w poruszaniu klapką aluminiowej puszki tam iz powrotem, aż się odłamie. Zwykle potrzeba tylko kilku pełnych ruchów do przodu i do tyłu, zanim zakładka się zerwie.

Puszka aluminiowa z zaczepem

Jaka jest główna przyczyna zrywania zakładki?

Możliwe przyczyny to:

Złamanie zmęczeniowe.
Przeciążenie metalu.
W wyniku odkształcenia plastycznego.

Ale który to jest?

— Hazzey
źródło

Jestem prawie pewien, że jest to głównie reakcja na naprężenie i odkształcenie materiału poddanego cyklicznemu obciążeniu, który przekracza granicę plastyczności, ale być może będę musiał kupić puszkę czegoś w drodze do domu, aby zweryfikować eksperymentalnie moje myśli.

— Trevor Archibald

Odpowiedzi:

Za każdym razem, gdy zginasz aluminium poniżej temperatury rekrystalizacji, ziarna makroskopowe stają się mniejsze: jest to znane jako praca na zimno. Boki zakładki są rozciągnięte lub ściśnięte. Efekt jest taki sam, jak w poniższym przykładzie. Jest to rzeczywiście deformacja plastyczna: języczek pozostaje na miejscu, nie wygina się i pozostaje na miejscu.

zimna praca

Źródło

To, co właśnie zrobiłeś, to utrudnienie ślizgania się ziaren, utrwalenie materiału i zwiększenie jego wytrzymałości. Jednak sprawiłeś, że jest on o wiele mniej plastyczny (i bardziej kruchy). Jeśli zginasz łyżkę, trudno jest ją zgiąć z powrotem do właściwego kształtu. Jest tak, ponieważ obszar ten został poddany obróbce na zimno i jest sztywniejszy niż otaczający metal.

wykres

Źródło

To samo dzieje się z aluminiową wypustką, z tym wyjątkiem, że pojawia się punkt, w którym pęka. Możesz pomyśleć o tym jak o belce poniżej: zginasz go ze stałym ugięciem, które odpowiada pewnemu kątowi θ. W pewnym momencie, gdy twoja plastyczność spadnie, przekroczysz limit odkształceń i pęknie.

pochylenie się

Źródło

Choć może wydawać się to zmęczeniem, z inżynieryjnego punktu widzenia tak naprawdę nie jest to właściwe określenie. Zmęczenie służy do opisania problemów pojawiających się zwykle po kilku tysiącach cykli obciążenia.

— BeyondLego
źródło

Chcę dać +1, ale myślę, że istnieje kilka nieporozumień, które wymagają wyjaśnienia. (1) Ziarna nie zmniejszają się, objętość jest (w przybliżeniu) zachowana przy odkształceniu plastycznym. Zmieniają tylko kształt. (2) Ziarna nie ślizgają się względem siebie. Zamiast tego równiny atomowe w poszczególnych ziarnach ślizgają się z powodu przemieszczeń. Przemieszczenia narastają w miarę poślizgu, powodując twardnienie pracy, o czym należy wspomnieć. Powoduje to zmiany kształtu ziarna. (3) Hartowanie podczas pracy powoduje wzrost wytrzymałości i spadek plastyczności, patrz wiki

— wwarriner

(4) Gdy odkształcenie plastyczne trwa dalej niż wytrzymałość metalu na rozciąganie, rozpoczyna się przewężanie. Teoria stojąca za tym, co dzieje się dalej na poziomie mikrostrukturalnym, nie jest w pełni jasna, ale uważa się, że wraz z pojawieniem się przewężenia dyslokacje w skali nano narastają do momentu, w którym zaczynają tworzyć pory w skali mikro i miejsca inicjacji pęknięć. Gdy to nastąpi, pory działają jak koncentratory naprężeń, powodując dalsze deformacje w pobliżu porów, powodując ich rozszerzanie i ostatecznie łączenie się lub łączenie. W miarę zrastania się porów powstają pęknięcia w skali makro.

— wwarriner

Gdy pory się powiększają, mniej materiału łączy dwie strony strefy przewężenia, a naprężenie nadal koncentruje się na pozostałym materiale, przyspieszając odkształcenie przy stałej sile. Możesz poczuć, że tak się dzieje, gdy zakładka jest wygięta do przodu i do tyłu. Ostatecznie ostatnie połączenia między dwiema częściami pękają, prowadząc do ostatecznego pęknięcia w makroskali, a języczek zrywa się.

— wwarriner

Zmęczenie to naprężenie materiału spowodowane cyklicznym obciążeniem. Najlepszym porównaniem jest gumka. Kiedy ciągniesz go w kółko, rozciąga się, ponieważ zmęczenie powoduje, że sprężystość zużywa się i staje się coraz bardziej plastyczna, aż pasek pęknie. Podczas gdy technicznie zakładka pęka z powodu odkształcenia plastycznego, pęknięcie zmęczeniowe byłoby bardziej poprawne, ponieważ odkształcenie plastyczne nie powoduje pęknięcia, dopóki zakładka nie zostanie obciążona znacznie więcej razy niż planuje to cykl życia.

— C0V3RT_KN1GHT
źródło

Nie zgadzam się, nie sądzę, aby zmęczenie było tak naprawdę brane pod uwagę, gdy część trwa 3 cykle. Obciążenie cykliczne jest czynnikiem, ale bardziej, ponieważ odkształcenie plastyczne pozostaje po powrocie zakładki do jej naturalnego położenia.

— Trevor Archibald

@TrevorArchibald możemy dzielić włosy tutaj, ale to, co opisujesz, wydaje się być określane jako „zmęczenie niskocyklowe” .

— Dan.

Ten link mówi „zmęczenie niskocyklowe”. wynosi 10 000 lub mniej cykli. 3 jest w rzeczywistości mniej niż 10 000, ale nadal uważam, że jesteśmy bardziej w zakresie plastycznego odkształcania go, aż pęknie. Obciążenie zmęczeniowe nadal nie będzie przekraczać UTS lub granicy wydłużenia materiału, myślę, że ten tryb zniszczenia działa.

— Trevor Archibald

Zmęczenie (o ile mi wiadomo) ma zastosowanie tylko wtedy, gdy obciążenie znajduje się poniżej granicy plastyczności materiału, co zdecydowanie nie ma tu miejsca, ponieważ odkształca się plastycznie przy każdym zgięciu.

— BeyondLego,

Wielkość tego odkształcenia ma zupełnie inną skalę niż można by się spodziewać w scenariuszu cyklicznego ładowania. Możesz zerwać kartę bez wykonywania nawet pełnego cyklu. Odpowiedź na zimno / kruchość idzie bezpośrednio do pierwotnej przyczyny, nie wymagając specjalnego przypadku załadunku na rowerze, więc myślę, że to trochę lepsze wytłumaczenie.

— Powietrze

Prawie wszyscy mają częściowo rację. Możesz zawieść przyciąganie pierścienia przez zwykłe przeciążenie w jednym „cyklu” lub możesz akumulować odkształcenie plastyczne w trzech lub czterech cyklach. Zwykle nie byłoby to uważane za nawet zmęczenie niskocyklowe, ale nie wiem, że istnieje dolna granica liczby cykli, które można zastosować zgodnie z prawem paryskim.

— rdt2
źródło