¿Por qué se rompen las pestañas de las bebidas cuando se doblan?

La mayoría de las personas han tenido la experiencia de mover la lengüeta de una lata de aluminio de un lado a otro hasta que se rompe. Por lo general, solo toma unos pocos movimientos completos de ida y vuelta antes de que la pestaña se rompa.

Lata de aluminio con lengüeta

¿Cuál es la causa raíz de la ruptura de la pestaña?

Las posibles causas parecen ser:

Una fractura por fatiga.
Una sobrecarga del metal.
Un resultado de la deformación plástica.

Pero cual es?

— Hazzey
fuente

Estoy bastante seguro de que esto se debe principalmente a la respuesta de tensión-deformación de un material bajo carga cíclica que excede la tensión de fluencia, pero es posible que tenga que comprar una lata de algo en el camino a casa para verificar mis pensamientos experimentalmente.

— Trevor Archibald

Respuestas:

Cada vez que dobla el aluminio por debajo de la temperatura de recristalización, los granos macroscópicos se hacen más pequeños: esto se conoce como trabajo en frío. Los lados de la pestaña están estirados o comprimidos. El efecto es el mismo que el del siguiente ejemplo. De hecho, esto es una deformación plástica: la pestaña permanece en su lugar y no se dobla hacia atrás y permanece en su lugar.

trabajo frio

Fuente

Lo que acaba de hacer es hacer que sea más difícil que esos granos se deslicen unos sobre otros, haciendo que el material sea más duro y aumente su resistencia. Sin embargo, también lo ha hecho mucho menos dúctil (y más frágil). Si dobla una cuchara, es difícil volver a doblarla a la forma correcta. Esto se debe a que esa área ha sido trabajada en frío y es más rígida que el metal circundante.

grafico

Fuente

Lo mismo sucede con su pestaña de aluminio, excepto que llega un punto en el que se rompe. Puedes pensarlo como la viga a continuación: lo doblas con una desviación fija que corresponde a un cierto ángulo θ. En algún momento a medida que disminuye su ductilidad, va a pasar el límite de tensión y se romperá.

doblar

Fuente

Si bien puede parecer fatiga, desde una perspectiva de ingeniería realmente no es el término correcto para usar. La fatiga se usa para describir problemas que generalmente aparecen después de varios miles de ciclos de carga.

— BeyondLego
fuente

Quiero hacer +1 pero creo que hay algunos conceptos erróneos que deben aclararse. (1) Los granos no se hacen más pequeños, el volumen se conserva (aproximadamente) en deformación plástica. Solo cambian de forma. (2) Los granos no se deslizan uno con respecto al otro. En cambio, las llanuras atómicas en granos individuales se deslizan debido a las dislocaciones. Las dislocaciones se acumulan a medida que avanza el deslizamiento, lo que provoca un endurecimiento del trabajo, que debe mencionar. Esto provoca cambios en la forma del grano. (3) El endurecimiento del trabajo provoca el aumento de la fuerza y la disminución de la ductilidad, vea el wiki

— wwarriner

(4) A medida que la deformación plástica continúa más allá de la resistencia a la tracción del metal, comienza el cuello. La teoría detrás de lo que sucede después a nivel microestructural no está completamente clara, pero se cree que a medida que se produce el estrechamiento, las dislocaciones a nanoescala se acumulan hasta el punto en que comienzan a formar poros a microescala y sitios de inicio de grietas. Una vez que esto sucede, los poros actúan como concentradores de tensión, creando una mayor deformación cerca de los poros, haciendo que se expandan y eventualmente se unan o se unan. A medida que los poros se unen, se forman grietas a escala macro.

— wwarriner

A medida que los poros se agrandan, menos material conecta los dos lados de la zona del cuello y el esfuerzo continúa concentrándose en el material restante, acelerando la deformación dada una fuerza constante. De hecho, puede sentir que esto ocurre cuando la pestaña se dobla hacia adelante y hacia atrás. Finalmente, las últimas conexiones entre las dos partes se rompen, lo que lleva a la ruptura final de la macroescala, y la pestaña se rompe.

— wwarriner

La fatiga es la tensión en un material debido a la carga cíclica. La mejor comparación es una banda elástica. Cuando lo jala una y otra vez, se estira porque la fatiga está causando que la elasticidad se desgaste y se vuelve más y más plástico hasta que la banda se rompe. Aunque técnicamente la lengüeta se está rompiendo debido a la deformación plástica, la fractura por fatiga sería más correcta ya que la deformación plástica no causa una fractura hasta que la lengüeta se haya cargado significativamente más veces de lo que pretende el ciclo de vida.

— C0V3RT_KN1GHT
fuente

No estoy de acuerdo, no creo que la fatiga sea realmente una consideración cuando la pieza dura 3 ciclos. La carga cíclica es un factor, pero es más porque la deformación plástica permanece después de que la pestaña vuelve a su posición natural.

— Trevor Archibald

@TrevorArchibald podríamos estar dividiendo pelos aquí, pero lo que estás describiendo parece ser lo que se conoce como 'fatiga de bajo ciclo' .

— Dan

Ese enlace dice "fatiga de ciclo bajo". es de 10,000 ciclos o menos. De hecho, 3 es menos de 10,000, pero todavía creo que estamos más en el rango de deformarlo plásticamente hasta que se rompa. La carga de fatiga aún no superará el UTS o el límite de alargamiento del material, creo que este modo de falla sí lo hace.

— Trevor Archibald

La fatiga (que yo sepa) solo se aplica cuando la carga está por debajo del límite elástico del material, lo cual definitivamente no es el caso aquí ya que se deforma plásticamente con cada curva.

— BeyondLego

La magnitud de esta deformación está en una escala totalmente diferente de lo que cabría esperar en un escenario de carga cíclica. Puede romper la pestaña sin siquiera realizar un ciclo completo. La respuesta de trabajo en frío / fragilidad va directamente a la causa raíz sin requerir el caso especial de la carga en bicicleta, por lo que creo que es una explicación un poco mejor.

— Aire

Casi todos tienen razón en parte. Puede fallar el anillo de extracción por sobrecarga simple en un 'ciclo' o puede acumular tensión plástica en tres o cuatro ciclos. Esto normalmente no se consideraría incluso fatiga de ciclo bajo, pero no sé si hay un límite inferior sobre cuántos ciclos se puede aplicar la Ley de París.

— rdt2
fuente