Por que as guias das bebidas podem quebrar quando dobradas?

A maioria das pessoas teve a experiência de mover a aba de uma lata de alumínio para frente e para trás até que ela se quebre. Geralmente, são necessários apenas alguns movimentos completos para frente e para trás antes que a guia se quebre.

Lata de alumínio com presilha

Qual é a causa raiz da quebra da guia?

As possíveis causas parecem ser:

Uma fratura por fadiga.
Um overstressing do metal.
Um resultado de deformação plástica.

Mas qual é?

mechanical-engineering materials mechanical-failure fatigue hazzey
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Tenho certeza de que isso se deve principalmente à resposta tensão-tensão de um material sob carga cíclica que excede a tensão de escoamento, mas talvez eu precise comprar uma lata de algo a caminho de casa para verificar meus pensamentos experimentalmente.

Trevor Archibald

Respostas:

Toda vez que você dobra o alumínio abaixo da temperatura de recristalização, os grãos macroscópicos ficam menores: isso é conhecido como trabalho a frio. Os lados da aba são esticados ou compactados. O efeito é o mesmo que o exemplo rotativo abaixo. É de fato uma deformação plástica: a aba permanece no lugar e não se curva e permanece no lugar.

trabalho a frio

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O que você acabou de fazer é tornar mais difícil que esses grãos deslizem um sobre o outro, dificultando o material e aumentando sua resistência. No entanto, você também o tornou muito menos dúctil (e mais quebradiço). Se você dobrar uma colher, é difícil dobrá-la de volta à forma correta. Isso ocorre porque a área foi trabalhada a frio e é mais rígida que o metal ao redor.

gráfico

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O mesmo acontece com a guia de alumínio, exceto que chega um momento em que ela se encaixa. Você pode pensar nisso como o feixe abaixo: Você está dobrando-o com uma deflexão fixa que corresponde a um determinado ângulo θ. Em algum momento, quando sua ductilidade cair, você ultrapassará o limite de tensão e ele se romperá.

dobrar

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Embora possa parecer fadiga, de uma perspectiva de engenharia não é realmente o termo correto a ser usado. A fadiga é usada para descrever problemas que normalmente aparecem após vários milhares de ciclos de carga.

BeyondLego
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Quero marcar com +1, mas acho que existem alguns equívocos que precisam ser esclarecidos. (1) Os grãos não diminuem, o volume é (aproximadamente) conservado na deformação plástica. Eles só mudam de forma. (2) Os grãos não escorregam um em relação ao outro. Em vez disso, planícies atômicas em grãos individuais escorregam devido a deslocamentos. Os deslocamentos se acumulam à medida que o deslizamento prossegue, causando o endurecimento do trabalho, que você deve mencionar. Isso causa alterações na forma do grão. (3) encruamento faz com que o aumento da força e diminuição da ductilidade, consulte o wiki

wwarriner

(4) À medida que a deformação plástica continua além da resistência à tração do metal, começa a trituração. A teoria por trás do que acontece a seguir em um nível microestrutural não é totalmente clara, mas acredita-se que, à medida que a estocagem ocorre, os deslocamentos em escala nanométrica aumentam até o ponto em que começam a formar poros em microescala e locais de iniciação de trincas. Quando isso acontece, os poros agem como concentradores de estresse, criando mais deformações perto dos poros, fazendo com que eles se expandam e, eventualmente, se juntem ou se fundam. À medida que os poros coalescem, rachaduras em escala macro se formam.

Wwarriner 03/09/2015

À medida que os poros aumentam, menos material conecta os dois lados da zona de estreitamento, e a tensão continua a se concentrar no material restante, acelerando a deformação com força constante. Você pode realmente sentir que isso ocorre quando a guia é dobrada para frente e para trás. Eventualmente, as últimas conexões entre as duas partes se rompem, levando à ruptura final da macroescala e a guia é interrompida.

Wwarriner 03/09/2015

Fadiga é a tensão em um material devido à carga cíclica. A melhor comparação é um elástico. Quando você o puxa repetidamente, ele se estende porque o cansaço está causando o desgaste da elasticidade e torna-se cada vez mais plástico até que a banda se encaixe. Embora tecnicamente a guia esteja quebrando devido à deformação plástica, a fratura por fadiga seria mais correta se a deformação plástica não causar uma fratura até que a guia tenha sido carregada significativamente mais vezes do que o ciclo de vida pretende.

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Eu discordo, não acho que a fadiga seja realmente uma consideração quando a peça dura 3 ciclos. A carga cíclica é um fator, mas é mais porque a deformação plástica permanece depois que a guia é retornada à sua posição natural.

Trevor Archibald

@TrevorArchibald, podemos estar dividindo os cabelos aqui, mas o que você está descrevendo parece ser o que é chamado de 'fadiga de baixo ciclo' .

Dan

Esse link diz "fadiga de baixo ciclo". é 10.000 ciclos ou menos. 3 é de fato menos que 10.000, mas ainda acho que estamos mais na deformação plástica até que ela se quebre. O carregamento por fadiga ainda não ultrapassará o UTS ou o limite de alongamento do material, acho que esse modo de falha ultrapassa.

Trevor Archibald

A fadiga (até onde sei) só se aplica quando a carga está abaixo da tensão de escoamento do material, o que definitivamente não é o caso aqui, pois se deforma plasticamente a cada curva.

BeyondLego

A magnitude dessa deformação está em uma escala totalmente diferente da que você esperaria em um cenário de carregamento cíclico. Você pode interromper a guia sem executar um ciclo completo. A resposta de trabalho / fragilização a frio vai diretamente para a causa principal, sem exigir o caso especial de carregamento de bicicleta, por isso acho que é uma explicação um pouco melhor.

Air

Quase todo mundo está parcialmente certo. Você pode falhar na tração do anel por sobrecarga simples em um 'ciclo' ou pode acumular tensão plástica em três ou quatro ciclos. Normalmente, isso não seria considerado nem fadiga de baixo ciclo, mas não sei se há um limite inferior de quantos ciclos a Lei de Paris pode ser aplicada.

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