Pourquoi les onglets des boissons peuvent-ils se casser lorsqu'ils sont pliés?

La plupart des gens ont eu l'expérience de déplacer la languette d'une boîte en aluminium d' avant en arrière jusqu'à ce qu'elle se casse. Il ne faut généralement que quelques mouvements de va-et-vient complets avant que l'onglet ne se détache.

Boîte en aluminium avec languette de maintien

Quelle est la cause première de la rupture de l'onglet?

Les causes possibles semblent être:

Une fracture de fatigue.
Une surcharge du métal.
Un résultat de la déformation plastique.

Mais lequel est-ce?

— hazzey
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Je suis presque sûr que c'est principalement à la réponse contrainte-déformation d'un matériau soumis à une charge cyclique qui dépasse la limite d'élasticité, mais je devrai peut-être acheter une boîte de quelque chose sur le chemin du retour pour vérifier mes pensées expérimentalement.

— Trevor Archibald

Réponses:

Chaque fois que vous pliez l'aluminium en dessous de la température de recristallisation, les grains macroscopiques deviennent plus petits: c'est ce qu'on appelle le travail à froid. Les côtés de l'onglet sont étirés ou compressés. L'effet est le même que dans l'exemple déroulant ci-dessous. Il s'agit en effet d'une déformation plastique: la languette reste en place et ne se plie pas en arrière et reste en place.

travail à froid

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Ce que vous venez de faire, c'est de rendre plus difficile le glissement de ces grains les uns sur les autres, ce qui rend le matériau plus dur et augmente sa résistance. Vous l'avez cependant également rendu beaucoup moins ductile (et plus cassant). Si vous pliez une cuillère, il est difficile de la replier à la bonne forme. En effet, cette zone a été travaillée à froid et est plus rigide que le métal environnant.

graphique

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La même chose se produit avec votre onglet en aluminium, sauf qu'il arrive un point où il s'enclenche. Vous pouvez le voir comme le faisceau ci-dessous: vous le pliez avec une déviation fixe qui correspond à un certain angle θ. À un moment donné, lorsque votre ductilité diminue, vous allez dépasser la limite de contrainte et elle se cassera.

pliant

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Bien que cela puisse sembler être de la fatigue, d'un point de vue technique, ce n'est vraiment pas le bon terme à utiliser. La fatigue est utilisée pour décrire les problèmes apparaissant généralement après plusieurs milliers de cycles de charge.

— BeyondLego
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Je veux +1, mais je pense qu'il y a quelques idées fausses qui doivent être clarifiées. (1) Les grains ne deviennent pas plus petits, le volume est (approximativement) conservé dans la déformation plastique. Ils changent seulement de forme. (2) Les grains ne glissent pas les uns par rapport aux autres. Au lieu de cela, les plaines atomiques dans les grains individuels glissent en raison de dislocations. Les luxations s'accumulent au fur et à mesure que le glissement se poursuit, ce qui entraîne un durcissement du travail, que vous devez mentionner. Cela provoque des changements de forme du grain. (3) L'écrouissage entraîne l'augmentation de la résistance et la diminution de la ductilité, voir le wiki

— wwarriner

(4) Alors que la déformation plastique se poursuit au-delà de la résistance à la traction du métal, le rétrécissement commence. La théorie derrière ce qui se passe ensuite au niveau microstructural n'est pas entièrement claire, mais on pense que lorsque le rétrécissement se produit, les dislocations à l'échelle nanométrique s'accumulent au point où elles commencent à former des pores à micro-échelle et des sites d'initiation des fissures. Une fois que cela se produit, les pores agissent comme des concentrateurs de stress, créant une déformation supplémentaire près des pores, les obligeant à se dilater et finalement à se rejoindre ou à se fusionner. À mesure que les pores se fusionnent, des fissures à grande échelle se forment.

— wwarriner

À mesure que les pores s'élargissent, moins de matériau relie les deux côtés de la zone de rétrécissement et la contrainte continue de se concentrer sur le matériau restant, accélérant la déformation avec une force constante. Vous pouvez réellement sentir cela se produire lorsque l'onglet est plié d'avant en arrière. Finalement, les dernières connexions entre les deux parties se rompent, conduisant à la rupture macroscopique finale, et la languette se rompt.

— wwarriner

La fatigue est la contrainte exercée sur un matériau par une charge cyclique. La meilleure comparaison est un élastique. Lorsque vous le tirez encore et encore, il s'étire car la fatigue provoque l'usure de l'élasticité et il devient de plus en plus plastique jusqu'à ce que la bande se casse. Bien que techniquement la languette se casse à cause de la déformation plastique, la rupture par fatigue serait plus correcte car la déformation plastique ne provoque pas de fracture tant que la languette n'a pas été chargée beaucoup plus de fois que le cycle de vie ne le prévoit.

— C0V3RT_KN1GHT
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Je ne suis pas d'accord, je ne pense pas que la fatigue soit vraiment une considération lorsque la pièce dure 3 cycles. Le chargement cyclique est un facteur, mais c'est plus parce que la déformation plastique reste après que la languette soit revenue à sa position naturelle.

— Trevor Archibald

@TrevorArchibald, nous pourrions diviser les cheveux ici, mais ce que vous décrivez semble être ce que l'on appelle la «fatigue à faible cycle» .

— Dan

Ce lien dit «fatigue à faible cycle». est de 10 000 cycles ou moins. 3 est en fait moins de 10 000, mais je pense toujours que nous sommes davantage dans la gamme de le déformer plastiquement jusqu'à ce qu'il se casse. La charge de fatigue ne dépassera toujours pas l'UTS ou la limite d'allongement du matériau, je pense que ce mode de défaillance le fait.

— Trevor Archibald

La fatigue (à ma connaissance) ne s'applique que lorsque la charge est inférieure à la limite d'élasticité du matériau, ce qui n'est certainement pas le cas ici car elle se déforme plastiquement à chaque coude.

— BeyondLego

L'ampleur de cette déformation est à une échelle totalement différente de ce que vous attendez dans un scénario de chargement cyclique. Vous pouvez casser l'onglet sans même effectuer un cycle complet. La réponse de travail à froid / fragilisation va directement à la cause profonde sans nécessiter le cas particulier du chargement à vélo, donc je pense que c'est une meilleure explication.

— Air du

Presque tout le monde a partiellement raison. Vous pouvez échouer la traction de l'anneau par simple surcharge en un «cycle» ou vous pouvez accumuler une tension plastique en trois ou quatre cycles. Cela ne serait normalement pas considéré comme une fatigue même à faible cycle, mais je ne sais pas s'il y a une limite inférieure sur le nombre de cycles que la loi de Paris peut être appliquée.

— rdt2
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