Warum können Getränkedosen beim Biegen brechen?

Die meisten Menschen haben die Erfahrung gemacht, die Lasche einer Aluminiumdose hin und her zu bewegen , bis sie abbricht. Normalerweise dauert es nur ein paar vollständige Hin- und Herbewegungen, bis die Lasche abbricht.

Aluminiumdose mit Steglasche

Was ist die Hauptursache für das Abbrechen der Lasche?

Die möglichen Ursachen scheinen zu sein:

Ein Ermüdungsbruch.
Eine Überbeanspruchung des Metalls.
Ein Ergebnis der plastischen Verformung.

Aber welches ist es?

mechanical-engineering materials mechanical-failure fatigue Hazzey
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Ich bin mir ziemlich sicher, dass dies hauptsächlich auf die Spannungs-Dehnungs-Reaktion eines Materials unter zyklischer Belastung zurückzuführen ist, die die Streckgrenze übersteigt, aber ich muss möglicherweise auf dem Heimweg eine Dose mit etwas kaufen, um meine Gedanken experimentell zu überprüfen.

Trevor Archibald

Antworten:

Jedes Mal, wenn Sie Aluminium unter die Rekristallisationstemperatur biegen, werden die makroskopischen Körner kleiner: Dies wird als Kaltumformung bezeichnet. Die Seiten der Lasche sind entweder gedehnt oder zusammengedrückt. Der Effekt ist der gleiche wie im folgenden Beispiel. Dies ist in der Tat eine plastische Verformung: Die Lasche bleibt an Ort und Stelle und biegt sich nicht zurück und bleibt an Ort und Stelle.

kalte Arbeit

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Was Sie gerade getan haben, ist, es diesen Körnern schwerer zu machen, übereinander zu rutschen, das Material härter zu machen und seine Festigkeit zu erhöhen. Sie haben es jedoch auch viel weniger duktil (und spröder) gemacht. Wenn Sie einen Löffel biegen, ist es schwierig, ihn wieder in die richtige Form zu bringen. Dies liegt daran, dass dieser Bereich kalt bearbeitet wurde und steifer als das umgebende Metall ist.

Graph

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Das gleiche passiert mit Ihrer Aluminiumlasche, außer dass es einen Punkt gibt, an dem sie einrastet. Sie können sich das wie den Balken unten vorstellen: Sie biegen es mit einer festen Auslenkung, die einem bestimmten Winkel θ entspricht. Irgendwann, wenn Ihre Duktilität abnimmt, werden Sie die Belastungsgrenze überschreiten und es wird einrasten.

Biegen

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Während es als Müdigkeit erscheinen mag, ist es aus technischer Sicht wirklich nicht der richtige Begriff. Ermüdung wird verwendet, um Probleme zu beschreiben, die typischerweise nach mehreren tausend Lastzyklen auftreten.

BeyondLego
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Ich möchte +1, aber ich denke, es gibt einige Missverständnisse, die geklärt werden müssen. (1) Körner werden nicht kleiner, das Volumen bleibt bei plastischer Verformung (ungefähr) erhalten. Sie ändern nur ihre Form. (2) Körner rutschen nicht relativ zueinander. Stattdessen rutschen Atomebenen in einzelnen Körnern aufgrund von Versetzungen ab. Mit fortschreitendem Schlupf bilden sich Versetzungen, die zu einer Aushärtung führen, die Sie erwähnen sollten. Dies führt zu Änderungen der Kornform. (3) Kaltverfestigung bewirkt eine Zunahme der Festigkeit und eine Abnahme der Duktilität, siehe Wiki

wwarriner

(4) Wenn die plastische Verformung über die Zugfestigkeit des Metalls hinaus anhält, beginnt das Einschnüren. Die Theorie hinter dem, was als nächstes auf mikrostruktureller Ebene geschieht, ist nicht vollständig klar, aber es wird angenommen, dass sich die Versetzungen im Nanomaßstab beim Auftreten von Einschnürungen bis zu dem Punkt aufbauen, an dem sie beginnen, Poren im Mikromaßstab und Rissinitiationsstellen zu bilden. Sobald dies geschieht, wirken die Poren als Spannungskonzentratoren und erzeugen eine weitere Verformung in der Nähe der Poren, wodurch sie sich ausdehnen und schließlich zusammenfügen oder verschmelzen. Wenn die Poren verschmelzen, bilden sich Risse im Makromaßstab.

wwarriner

Wenn sich die Poren vergrößern, verbindet weniger Material die beiden Seiten der Einschnürungszone, und die Spannung konzentriert sich weiterhin auf das verbleibende Material, wodurch die Verformung bei konstanter Kraft beschleunigt wird. Sie können dies tatsächlich spüren, wenn die Lasche hin und her gebogen wird. Schließlich brechen die letzten Verbindungen zwischen den beiden Teilen, was zum endgültigen Bruch der Makroskala führt, und die Lasche bricht ab.

wwarriner

Ermüdung ist die Belastung eines Materials durch zyklische Belastung. Der beste Vergleich ist ein Gummiband. Wenn Sie es immer wieder ziehen, dehnt es sich aus, weil die Elastizität durch die Ermüdung nachlässt und es immer plastischer wird, bis das Band einrastet. Während die Lasche technisch aufgrund einer plastischen Verformung bricht, wäre ein Ermüdungsbruch korrekter, da die plastische Verformung keinen Bruch verursacht, bis die Lasche wesentlich öfter belastet wurde, als es der Lebenszyklus beabsichtigt.

C0V3RT_KN1GHT
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Ich bin anderer Meinung, ich denke nicht, dass Müdigkeit wirklich eine Überlegung ist, wenn der Teil 3 Zyklen dauert. Die zyklische Belastung ist ein Faktor, aber es ist mehr, weil die plastische Verformung bestehen bleibt, nachdem die Lasche in ihre natürliche Position zurückgebracht wurde.

Trevor Archibald

@TrevorArchibald Wir spalten hier vielleicht Haare, aber was Sie beschreiben, scheint das zu sein, was als "Ermüdung bei niedrigen Zyklen" bezeichnet wird .

Dan

Dieser Link sagt "Low-Cycle-Müdigkeit". beträgt 10.000 Zyklen oder weniger. 3 ist in der Tat weniger als 10.000, aber ich denke immer noch, dass wir mehr im Bereich der plastischen Verformung sind, bis es bricht. Die Ermüdungsbelastung wird immer noch nicht über die UTS oder die Dehnungsgrenze des Materials hinausgehen. Ich denke, dieser Fehlermodus tut dies.

Trevor Archibald

Ermüdung (nach meinem besten Wissen) tritt nur auf, wenn die Belastung unter der Streckgrenze des Materials liegt, was hier definitiv nicht der Fall ist, da sie sich bei jeder Biegung plastisch verformt.

BeyondLego

Das Ausmaß dieser Verformung ist völlig anders als in einem zyklischen Belastungsszenario zu erwarten. Sie können die Registerkarte abbrechen, ohne einen vollständigen Zyklus durchzuführen. Die Antwort auf Kaltumformung / Versprödung geht direkt an die Grundursache, ohne dass der Sonderfall des Radladens erforderlich ist. Ich denke, dies ist eine etwas bessere Erklärung.

Air

Fast jeder hat teilweise recht. Sie können den Ringzug durch einfache Überlastung in einem "Zyklus" versagen oder in drei oder vier Zyklen plastische Spannungen ansammeln. Dies würde normalerweise nicht einmal als Ermüdung bei geringen Zyklen angesehen werden, aber ich weiß nicht, dass es eine Untergrenze für die Anzahl der Zyklen gibt, nach denen das Pariser Gesetz angewendet werden kann.

rdt2
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