Если металл расширяется при нагревании, как нагрев болта ослабляет его?

Если у вас возникли проблемы с удалением застрявшего болта, общий совет - нагреть болт. Но если металл расширяется при нагревании, не станет ли нагрев болта более трудным для его удаления? Каким образом нагревание болта отклеивает его?

Ответ на удивление прост: болт расширяется, но гайка расширяется больше .

То, что здесь происходит, это старое доброе тепловое расширение:

• Болт нагревается и расширяется наружу, его радиус увеличивается
• Гайка нагревается и ... расширяется наружу, радиус увеличивается

Теперь, поскольку радиус гайки немного больше, чем у болта, и поскольку увеличение пропорционально длине покоя, гайка расширяется немного больше.

Железо имеет тепловой коэффициент в приблизительном поле 10 ^-5 / K. Это означает, что для каждого повышения температуры на 1 К у вас есть увеличение размера на 10 ^-5 : 1 м стержень становится длиной 1,00001 м.

Если у вашего болта r = 1,5 мм, а у гайки R = 1,501 мм, что произойдет, если температура увеличится на 500 K? Что ж:

• r = 1,5 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) мм = 1,5075 мм
• R = 1,501 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) мм = 1,508505 мм

Как видно, до нагревания R - r = 1 мкм, а после R - r ≈ 1.001 мкм. Это увеличилось!

Обратите внимание, что мои цифры довольно дикие и используются только для примера. Я уверен, что я неправильно понял начальные значения, но я надеюсь, что они все равно помогут донести сообщение.

Секрет ограниченного расширения .

Вот некоторые грубые диаграммы, которые помогут объяснить, как это работает.

^{Болт застрял в отверстии}

Когда болт нагревается, он расширяется. Поскольку стержень болта ограничен, он не может расширяться внутри отверстия.

^{Болт расширяется в направлении зеленой стрелки, но не может расширяться в направлении красных стрелок.}

Как болт остывает, он сжимается. Сокращение, однако, не ограничено. Это означает, что болт может сжиматься во всех направлениях, делая его немного меньше.

^{Болт может сжиматься во всех направлениях.}

Как только болт остынет, он должен быть меньше и его легче извлечь.

Фактическая причина, по которой это обычно работает, заключается в том, что ржавчина значительно больше, чем сталь, из которой она проржавела, именно поэтому болт застрял в первую очередь. В некоторых других случаях тепловые работы состоят в том, что болт был применен с помощью резьбового замка, для снятия которого требуется нагрев (если он выходит без следов ржавчины, это очень хорошая ставка)

Многие виды ржавчины содержат «химически связанную воду» и теряют эту воду (и сжимаются) при достаточном нагревании.

Металл, расположенный в кольце, расширяется наружу при нагревании. Представьте себе кольцо из тонкой проволоки, которое нагревается - оно расширяется в основном по всей длине, увеличивая как внутренний, так и внешний диаметры. То же самое происходит с материалом вокруг отверстия для болта.

Вообще, я стараюсь нагревать окружающий кусок, а не сам болт. Однако, даже если болт нагревается напрямую, проводимость обычно приводит к нагреву окружающего материала и, следовательно, расширению канала.

Больше научной информации об этом

Рассмотрим шайбу или другое металлическое кольцо или диск с отверстием в нем. Когда кольцо нагревается, мы ожидаем, что кольцо расширится, и эксперименты подтвердят, что оно расширяется. Но расширяется ли отверстие в кольце, сжимается или остается того же размера?

... [T] намек на то, что вы делаете, когда пытаетесь открыть банку с масоном, и металлическая крышка с завинчивающейся крышкой застряла. Либо постучите по крышке ложкой (чтобы попытаться освободить застрявшую часть крышки), либо поместите крышку под горячую воду. Вы делаете последнее, потому что знаете, что металлическая крышка будет расширяться больше, чем стеклянная банка, и поэтому будет легче снять крышку.

И говоря, что металлическая крышка будет расширяться больше, чем стеклянная банка, мы действительно имеем в виду, что отверстие в крышке будет расширяться.

По моему опыту, вы должны нагреть замерзший болт, пока он не вздуется, не станет красным и не станет мягким, и вынуть его, пока он горячий и мягкий. Нагревание болта и его охлаждение никогда не помогало мне. Когда металл сжимается, болт захватывает; это обычно не ослабляет ... это, вероятно, ухудшает ситуацию.

То же самое относится и к стаканам, которые застряли вместе ... холод, сокращение - причина схватывания .

@Vladimir Cravero (извините, не хватает представителя для ввода комментария) ...

Я думаю, что разъяснение ответа необходимо. Орех не расширяется «больше», он становится больше, но увеличение в% такое же.

r = 1.5*(1+500*10-5) mm = 1.5075 mm         
R = 1.501*(1+500*10-5) mm = 1.508505 mm         

        start   after heat      increase amt    % inc
bolt    1.5     1.5075          0.0075          0.5000%
nut     1.501   1.508505        0.007505        0.5000%

Мое восприятие эффекта нагрева состоит в том, что болт и гайка или блок не только расширяются, но и пространство между ними расширяется, не забывайте об этом.

        start   after heat      increase amt    % inc
space   0.001   0.001005        0.0000050       0.5000%

немного большее пространство между ними, легче удалить. :)

Я думаю, что есть несколько факторов, которые способствуют этому эффекту, но я думаю, что один не был упомянут. Еще один способ освободить застрявший болт - это сильно ударить по нему. Обычно вы делаете что-то большое, например, клапан, но я думаю, что основная проблема та же. Что касается ржавчины, я ожидаю, что это может разрушить хрупкую структуру оксида. Другим фактором является то, что существует два типа трения. Есть статическое трение и кинетическое трение. Рассмотрим тяжелую (заполненную) картонную коробку на полу. Если вы попытаетесь сдвинуть его, он будет изначально «застрял». Как только коробка начинает двигаться, она скользит намного легче. Это та же самая причина, по которой плохо тормозить машину. Как только резина начинает скользить, трение значительно уменьшается.

Температура - это мера средней кинетической энергии молекул вещества. То есть молекулы движутся в любом веществе теплее абсолютного нуля, и чем быстрее они движутся, тем выше температура. Когда вы нагреваете что-то, вы добавляете кинетическую энергию в систему. Это буквально заставляет молекулы болта двигаться все быстрее и быстрее. В твердом теле молекулы не движутся свободно в пространстве и по существу вибрируют. На следующем изображении показано, как молекулы металла движутся при нагревании.

Я думаю, что это энергичное движение само по себе может создать тот же эффект, что и ударная волна, вызванная резким ударом. Это и неравномерное изменение размера болта и гайки может сломать статическое трение и / или разрушить хрупкую ржавчину. Я знаю, что если у вас есть ржавая чугунная сковорода, одно из решений - поставить ее на горячий огонь, и ржавчина просто отвалится.

Поскольку тепло не распространяется мгновенно, гайка будет расширяться больше, чем болт ... если вы правильно рассчитаете время ... что не тривиально. Для подшипника, а не для гайки / болта, этот [индукционный] нагрев является промышленным методом удаления, как показано в этом видео, например, и даже в большей степени для крепления. В этом случае удаление происходит мгновенно, когда кольцо подшипника достаточно нагрето. Проблема с гайкой / болтом заключается в том, что большое количество тепла могло перейти к болту, возможно, до того, как вы закончите снятие гайки. Цитирую практикующего этого искусства: «Вы хотите нагреть гайку, а не болт».

Проблема еще более усугубляется тем фактом, что нет единого способа сделать это. Вы можете увидеть в этом другом видеочто гайка становится намного белее, чем болт, а это значит, что она нагревается при нагревании. Загвоздка в том, что к тому времени, когда гайка снята, ни один из них больше не светится [в этом последнем видео], поэтому мы не можем визуально определить их температуру [разницу]. Воздух, однако, намного лучше изолятор, поэтому я подозреваю, что болт охлаждается быстрее, чем гайка, потому что он вступает в контакт с большим количеством металла, который действует как радиатор. Видео с тепловизором было бы определенным доказательством, но я не смог его найти. В описании этого последнего видео также говорится, что коррозионные соединения ослабляются при нагревании, что также вполне может быть правдой, но я не проверил науку об этом; это утверждение также предполагает, что эти связи не сразу восстанавливаются при охлаждении.

И для сценария, изображенного в ответе самого спрашивающего: на практике это не работает. Если вы смотрите вторую половину этого получасового видео , чувак тщательно нагревает рамку вокруг самого болта, и для достижения успеха требуется много времени, терпения и тщательности, когда «гайка» - это большой кусок.

У меня есть простой ответ, что никто не сказал, что головка болта расширяется от поверхности, ослабляя натяжение нитей, таким образом делая его достаточно свободным, чтобы отключиться. Иногда болты слишком туго, даже если они не ржавые.

Я полагаю, что если ржавчина или осадок являются фактором, препятствующим ослаблению, высокая температура приведет к тому, что обломки будут теряться вместе с высокой температурой и ослабевать, что позволит болту или части, о которой идет речь, легко поворачиваться.

Положите пенни в дверной косяк и закройте его. Дверь будет почти невозможно открыть, потому что трение удержит ее на месте. Сгибание остальной части двери предотвратит ее перемещение. Ржавый болт, по сути, тот же принцип - многие мелкие соединения, образованные на резьбе болтов окисленным металлом, препятствуют его вращению.

Высокая температура и расширение металла просто служили разрушению этих связей. Это не имеет ничего общего с термодинамикой или любой другой научной ерундой. Это простое механическое действие расширяющегося металла, разрушающего ржавчину.