Якщо метал розширюється при нагріванні, як нагрівальний болт його послаблює?

Якщо у вас виникли проблеми з вийманням застряглого болта, загальна порада - нагріти болт. Але якщо метал розширюється при нагріванні, чи не нагрів би болт, це просто ускладнить його видалення? Як нагрівання болта відклеюється?

Відповідь напрочуд проста: болт розширюється, а гайка розширюється більше .

Що тут відбувається - це добре старе теплове розширення:

• Болт нагрівається і розширюється назовні, його радіус збільшується
• Гайка нагрівається і ... розширюється назовні, її радіус збільшується

Тепер, оскільки радіус гайки трохи більше, ніж болт, а оскільки збільшення пропорційне довжині решти, гайка розширюється трохи більше.

Залізо має тепловий коефіцієнт у бальній зоні 10 ^-5 / К. Це означає, що на кожне підвищення температури на 1 К у вас збільшується розмір 10 ^-5 : 1 м стрижень стає довжиною 1 000 000 м.

Якщо ваш болт має r = 1,5 мм, а гайка має R = 1,501 мм, що відбувається, якщо температура підвищується на 500 К? Ну:

• r = 1,5 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) мм = 1,55075 мм
• R = 1,501 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) мм = 1,550505 мм

Як бачимо, перед нагріванням R - r = 1 мкм, а після R - r ≈ 1.001 мкм. Він збільшився!

Зауважте, мої номери досить дикі і використовуються лише для того, щоб зробити приклад. Я впевнений, що я неправильно зрозумів початкові значення, але сподіваюся, що вони допоможуть перенести повідомлення в будь-якому випадку.

Секрет - стримане розширення .

Ось декілька грубих діаграм, які допоможуть пояснити, як це працює.

^{Болт застряг у отворі}

При нагріванні болта він розширюється. Оскільки вал болта обмежений, він не може розширюватися всередині отвору.

^{Болт розширюється у напрямку зеленої стрілки, але не може розширюватися у напрямку червоних стрілок.}

Коли болт охолоджується, він стискається. Скорочення, однак, не обмежується. Це означає, що болт може стискатися в усіх напрямках, роблячи болт трохи менше.

^{Болт здатний стискатися в усіх напрямках.}

Як тільки болт охолоне, він повинен бути меншим та легшим для вилучення.

Дійсною причиною цього зазвичай є те, що іржа значно більше, ніж сталь, з якої вона іржавіє, через що болт застряг в першу чергу. В деяких інших випадках причина тепла працює в тому, що болт був застосований за допомогою блокувальника різьблення, який потребує нагрівання для видалення (якщо він виходить без ознак іржі, це досить гарна ставка)

Багато форм іржі містять «хімічно зв'язану воду» і втрачають цю воду (і зменшуються) при достатньому нагріванні.

Метал, розташований кільцем, при нагріванні розширюється назовні. Уявіть, що кільце з тонкого дроту нагрівається - воно розширюється в основному по своїй довжині, роблячи і внутрішній, і зовнішній діаметри. Те саме відбувається з матеріалом навколо отвору для болта.

Взагалі я намагаюся нагріти навколишній шматок, а не сам болт. Однак, навіть якщо болт нагрівається безпосередньо, провідність зазвичай призводить до нагрівання навколишнього матеріалу, а отже, до розширення отвору.

Більш наукова інформація про це

Розгляньте шайбу або якесь інше металеве кільце або диск з отвором у ньому. Коли кільце нагрівається, ми очікуємо, що кільце розшириться, і експерименти підтверджують, що воно дійсно розширюється. Але отвір у кільці розширюється, стискається чи залишається однакового розміру?

... [T] підказка про те, що ви робите, коли ви намагаєтесь відкрити банку Мейсона, і металева кришка на саморізі застрягла. Ви або постукуйте по кришці ложкою (щоб спробувати розв’язати будь-яку частину кришки, яка застрягла), або поставте кришку під гарячу воду. Ви робите останнє, бо знаєте, що металева кришка розшириться більше, ніж скляна банка, і тому буде легше зняти кришку.

І, кажучи, металева кришка розшириться більше, ніж скляна банка, що ми насправді маємо на увазі, що отвір у кришці розшириться.

На мій досвід, ви повинні нагріти замерзлий болт, поки він не пухириться, не нагріється і не стане м'яким, і вийміть його, поки він гарячий і м'який. Нагрівання болта і забезпечення його охолодження ніколи мені не допомагало. Коли метал стискається, болт схоплюється; він зазвичай не розслабляється ... це, мабуть, погіршує ситуацію.

Те саме стосується питних склянок, які злиплися ... холод, стиснення є причиною захоплення .

@Vladimir Cravero (вибачте, недостатньо реп. Для вступу в коментар) ...

Я думаю, що потрібне уточнення відповіді. Гайка не розширюється "більше", вона закінчується більшою, але приріст% однаковий.

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%

Моє сприйняття ефекту нагрівання полягає в тому, що не тільки болт і гайка або блок розширюються, але і простір між ними також розширюється, не забуваючи про це.

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

трохи більше місця між ними, і їх легше видалити. :)

Я думаю, що багато факторів сприяють цьому, але я думаю, що жодного з них не згадували. Ще один спосіб дістати застряглий болт - це ударити його, різко вдаривши його. Як правило, це те, що ви робите щось велике, як клапан, але я думаю, що основна проблема однакова. Що стосується іржі, я б очікував, що це може зруйнувати крихку структуру оксиду. Ще одним фактором є те, що існує два типи тертя. Існує статичне тертя та кінетичне тертя. Розгляньте важку (наповнену) картонну коробку на підлозі. Якщо спробувати пересунути його, він спочатку буде «застряг». Як тільки коробка почне рухатися, вона ковзає набагато легше. Це та сама причина, що погано замикати гальма на автомобілі. Як тільки гума починає ковзати, тертя значно зменшується.

Температура - це міра середньої кінетичної енергії молекул речовини. Тобто молекули рухаються в будь-якій речовині тепліші від абсолютного нуля і чим швидше вони рухаються, тим вище температура. Нагріваючи щось, ви додаєте кінетичну енергію в систему. Це буквально змушує молекули болта рухатися все швидше і швидше. У твердому тілі молекули не рухаються вільно в просторі і по суті вібрують. Наступне зображення - зображення того, як рухаються молекули металу при нагріванні.

Я думаю, цілком можливо, що цей енергійний рух міг сам по собі створити такий же ефект, як ударна хвиля, викликаний різким стуком. Це і нерівномірна зміна розміру болта і гайки може порушити статичне тертя та / або розбити крихку іржу. Я знаю, що якщо у вас є заржавіла чавунна сковорода, одне рішення - поставити її на гарячий вогонь і іржа просто відвалиться.

Оскільки нагрівання не потрапляє миттєво, гайка розшириться більше, ніж болт ... якщо ви встигнете все правильно ... що не банально. Для підшипника, а не гайки / болта, цей [індукційний] нагрів є промисловим методом зняття, як показано, наприклад, у цьому відео , а тим більше для кріплення. Дія зняття миттєва в цьому випадку, як тільки кільце підшипника нагріється достатньо. Проблема з гайкою / болтом полягає в тому, що велика кількість тепла, можливо, передається болту, можливо, перш ніж ви вийдете гайку. Цитуючи практикуючого цього мистецтва, "ти хочеш нагріти гайку, а не болт".

Проблема ще більше посилюється тим, що не існує жодного єдиного методу цього зробити. Ви можете побачити в цьому іншому відеощо гайка стає набагато білішою, ніж болт, а значить, при нагріванні вона стає набагато гарячішою. Проблема полягає в тому, що до моменту видалення гайки жоден з них не світиться [в останньому відео], тому ми не можемо візуально визначити їх температуру [різницю]. Повітря, однак, є набагато кращим ізолятором, тому я підозрюю, що болт охолоджується швидше, ніж гайка, тому що він контактує з більшою кількістю металу, який виконує функцію радіатора. Відео з тепловою камерою було б безперечним доказом, але я не зміг його знайти. В описі цього останнього відео також йдеться про те, що корозійні зв’язки послаблюються нагріванням, що також може бути правдою, але я не перевірив науку щодо цього; ця претензія також передбачає, що ці зв’язки не одразу відновлюються шляхом охолодження.

А для сценарію, зображеного у власній відповіді запитувача: це не працює так на практиці. Якщо ви дивитесь другу половину цього півгодинного відео , чувак обережно нагріває рамку навколо самого болта, і це потребує багато часу, терпіння та турботи, щоб досягти успіху, коли «гайка» - великий шматок.

Я отримав просту відповідь, що ніхто не сказав, що головка болта розширюється з поверхні, послаблюючи натяг нитки, роблячи його досить вільним, щоб вимкнутись. Іноді болти занадто тугі, навіть коли вони не іржавіють.

Я вважаю, що якщо іржа або осад є фактором запобігання розпушенню, велика спека призведе до того, що сміття втрачається від тепла і розшаровується, дозволяючи болту або деталі, що йдеться, легко повертатися.

Покладіть копійки в дверний косяк і закрийте. Двері відчинити майже неможливо, оскільки тертя утримає її на місці. Згинання решти дверей не дозволить їй рухатися. Іржавий болт - це, по суті, той же принцип - багато дрібних зв'язків, утворених на нитках болтів окисленим металом, перешкоджають його повороту.

Тепло і розширення металу просто служили для розриву цих зв'язків. Це не має нічого спільного з термодинамікою або будь-якою іншою науковою дурницею. Це проста механічна дія металу, що розширюється, розбиваючи іржу.