Если металл расширяется при нагревании, то как нагревание болта ослабляет его?

Ответ на удивление прост: болт расширяется, а гайка расширяется сильнее .

Здесь происходит старое доброе тепловое расширение:

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

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

Железо имеет тепловой коэффициент примерно 10 ^-5 / K. Это означает, что при повышении температуры на каждый 1 К увеличивается размер в 10 ^-5 : стержень длиной 1 м становится 1,00001 м в длину.

Если у вашего болта r = 1,5 мм, а у гайки R = 1,501 мм, что произойдет, если температура увеличится на 500 К? 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 нагрева R - r = 1 мкм, а после R - r ≈ 1,001 мкм. Он увеличился!

Обратите внимание, что мои цифры довольно дикие и используются только для примера. Я уверен, что ошибся в начальных значениях, но я надеюсь, что они все равно помогут донести мысль.

Секрет в ограниченном расширении .

Вот несколько грубых диаграмм, которые помогут объяснить, как это работает.

^{Болт застрял в отверстии}

При нагревании болт расширяется. Поскольку стержень болта ограничен, он не может расшириться внутри отверстия.

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

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

^{Болт способен сокращаться во всех направлениях.}

Когда болт остынет, он станет меньше и его будет легче извлечь.

Фактическая причина, по которой это обычно работает, заключается в том, что ржавчина значительно больше, чем сталь, из которой она ржавеет, поэтому болт застревает в первую очередь. В некоторых других случаях причина теплового воздействия заключается в том, что на болт был нанесен фиксатор резьбы, для удаления которого требуется нагрев (если он выходит без признаков ржавчины, это довольно хорошая ставка).

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

Металл, расположенный кольцом, при нагревании расширяется наружу. Представьте кольцо из тонкой проволоки при нагревании — оно расширяется в основном по своей длине, увеличивая как внутренний, так и внешний диаметры. То же самое происходит с материалом вокруг отверстия под болт.

Как правило, я стараюсь нагревать окружающие детали, а не сам болт. Однако, даже если болт нагревается напрямую, проводимость обычно приводит к нагреву окружающего материала и, следовательно, к расширению отверстия.

Более научная информация об этом

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

... [T] подумайте о том, что вы делаете, когда пытаетесь открыть банку Мейсона, а металлическая крышка с завинчивающейся крышкой застряла. Вы либо постукиваете по крышке ложкой (чтобы попытаться освободить застрявшую часть крышки), либо помещаете крышку под горячую воду. Вы делаете последнее, потому что знаете, что металлическая крышка расширится больше, чем стеклянная банка, и поэтому ее будет легче снять.

И говоря, что металлическая крышка расширится больше, чем стеклянная банка, мы на самом деле имеем в виду, что отверстие в крышке расширится.

По моему опыту, вы должны нагревать замерзший болт до тех пор, пока он не покроется пузырями, не раскалится докрасна и не станет мягким, и вынимать его, пока он горячий и мягкий. Нагревание болта и охлаждение его никогда не помогало мне. Когда металл сжимается, болт схватывается; обычно он не ослабляется... возможно, это усугубляет ситуацию.

То же самое верно и для стаканов для питья, которые слиплись... холод, сжатие - причина припадка .

@Vladimir Cravero (извините, недостаточно представителей, чтобы оставить комментарий)...

Я думаю, что необходимо уточнение ответа. Гайка не расширяется «больше», она 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 заключается в том, что расширяются не только болт и гайка или блок, но и пространство между ними, не забывайте об этом.

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

немного больше расстояние между ними, легче удалить. :)

Я думаю, что есть несколько факторов, которые способствуют этому эффекту, но я думаю, что один из них не был упомянут. Еще один способ высвободить застрявший болт — ударить по нему резким ударом. Обычно это то, что 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. Еще один фактор заключается в том, что существует два типа трения. Есть статическое трение и кинетическое трение. Рассмотрим тяжелую (наполненную) картонную коробку на полу. Если вы попытаетесь сдвинуть его, он сначала «застрянет». Как только коробка начинает двигаться, она скользит намного легче. По той же причине плохо блокировать тормоза автомобиля. Как только резина начинает скользить, трение значительно снижается.

Температура является мерой 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 что-то нагреваете, вы добавляете кинетическую энергию системе. Это буквально заставляет молекулы болта двигаться все быстрее и быстрее. В твердом теле молекулы не перемещаются свободно в пространстве и существенно колеблются. На следующем изображении показано, как движутся молекулы металла при нагревании.

Я думаю, возможно, что это энергичное движение само по себе может создать такой же эффект, как ударная волна, вызванная резким стуком. Это, а также неравномерное изменение размера болта и гайки может нарушить 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 отпадет.

Поскольку тепло не распространяется мгновенно, гайка расширится больше, чем болт... если правильно рассчитать время... что не тривиально. Для подшипника, а не для гайки/болта, этот [индукционный] нагрев является промышленным методом снятия, как показано, например, в этом видео , и тем более для крепления. В этом случае снятие происходит мгновенно, как только кольцо подшипника достаточно нагреется. Проблема с гайкой/болтом заключается в том, что к болту может быть передано много тепла, возможно, до того, как вы закончите снимать гайку. Цитата из практики этого искусства : «Вы хотите нагреть гайку, а не болт».

Проблема еще больше усугубляется тем фактом, что нет единого метода сделать это. Вы можете увидеть в этом другом видеочто гайка становится намного белее болта, а значит, при нагревании становится намного горячее. Загвоздка в том, что к тому времени, когда гайка удалена, ни один из них больше не светится [в этом последнем видео], поэтому мы не можем визуально определить их температуру [разницу]. Однако воздух является гораздо лучшим изолятором, поэтому я подозреваю, что болт остывает быстрее, чем гайка, потому что он соприкасается с большим количеством металла, который действует как радиатор. Видео с тепловизионной камерой было бы убедительным доказательством, но я не смог его найти. В описании этого последнего видео также говорится, что коррозионные связи ослабляются при нагревании, что вполне может быть правдой, но я не проверял науку по этому поводу; это утверждение также предполагает, что эти связи не восстанавливаются сразу при охлаждении.

А для сценария, изображенного в собственном ответе спрашивающего: на практике это не работает. Если посмотреть 2- ю половину этого получасового видео , то чувак тщательно прогревает рамку вокруг самого болта, и нужно много времени, терпения и внимательности, чтобы добиться успеха, когда "гайка" - большой кусок.

У меня есть простой ответ, что никто не сказал, что головка болта расширяется от поверхности, ослабляя натяжение резьбы, что делает ее достаточно ослабленной, чтобы отвернуться. Иногда болты затягиваются слишком сильно, даже если они не заржавели.

Я считаю, что если ржавчина или отложения являются факторами, препятствующими ослаблению, высокая температура приведет к тому, что мусор оторвется вместе с теплом и ослабнет, что позволит болту или детали, о которой идет речь, легко проворачиваться.

Положи монетку в дверной косяк и закрой ее. Дверь будет практически невозможно открыть, потому что трение будет удерживать ее на месте. Изгиб остальной части двери не позволит ей двигаться. Ржавый болт по сути тот же принцип - множество мелких связей, образованных на резьбе болтов окисленным металлом, не дают ему проворачиваться.

Тепло и расширение металла просто разрушили эти связи. Это не имеет ничего общего с термодинамикой или любой другой научной ерундой. Это простое механическое действие расширяющегося металла, разрушающего ржавчину.