Jeśli metal rozszerza się po podgrzaniu, w jaki sposób nagrzanie śruby rozluźnia go?

Jeśli masz problem z usunięciem zablokowanej śruby, powszechną radą jest jej podgrzanie. Ale jeśli metal rozszerza się po podgrzaniu, czy nagrzewanie śruby nie utrudniłoby jej usunięcia? W jaki sposób nagrzanie śruby odblokowuje się?

Odpowiedź jest zaskakująco prosta: śruba rozszerza się, ale nakrętka rozszerza się bardziej .

To, co się tutaj dzieje, to stara dobra rozszerzalność cieplna:

• Śruba jest podgrzewana i rozszerza się na zewnątrz, a jej promień zwiększa się
• Nakrętka jest podgrzewana i ... rozszerza się na zewnątrz, zwiększając jej promień

Teraz, ponieważ promień nakrętki jest nieco większy niż promienia śruby, a ponieważ wzrost jest proporcjonalny do długości spoczynkowej, nakrętka rozszerza się nieco bardziej.

Żelazo ma współczynnik termiczny w ^boisku 10 ^-5 / K. Oznacza to, że na każdy wzrost temperatury o 1 K zwiększa się rozmiar o ^10–5 : 1 m pręt ma 1,00001 m długości.

Jeśli twoja śruba ma r = 1,5 mm, a nakrętka ma R = 1,501 mm, co się stanie, gdy temperatura wzrośnie o 500 K? Dobrze:

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

Jak widać, przed ogrzewaniem R - r = 1 μm, zaś po R - r ≈ 1,001 μm. Wzrósł!

Pamiętaj, że moje liczby są dość dzikie i służą jedynie jako przykład. Jestem pewien, że błędnie podałem wartości początkowe, ale mam nadzieję, że i tak pomogą one w przekazaniu wiadomości.

Sekretem jest ograniczona ekspansja .

Oto kilka grubych diagramów, które pomogą wyjaśnić, jak to działa.

^{Bolt utknął w otworze}

Po podgrzaniu śruba rozszerza się. Ponieważ trzpień śruby jest ograniczony, nie może rozszerzyć się w otworze.

^{Trzpień rozszerza się w kierunku zielonej strzałki, ale nie może rozszerzyć się w kierunku czerwonych strzałek.}

Gdy śruba stygnie, kurczy się. Skurcz nie jest jednak ograniczony. Oznacza to, że śruba może się kurczyć we wszystkich kierunkach, co powoduje, że śruba jest nieco mniejsza.

^{Śruba może się kurczyć we wszystkich kierunkach.}

Gdy śruba ostygnie, powinna być mniejsza i łatwiejsza do wyciągnięcia.

Faktycznie to zwykle działa, ponieważ rdza jest znacznie większa niż stal, z której zardzewiała, dlatego właśnie śruba utknęła w pierwszej kolejności. W niektórych innych przypadkach powodem, dla którego działa ciepło, jest to, że śruba została nałożona za pomocą środka do zabezpieczania gwintów, który wymaga podgrzania w celu usunięcia (jeśli wyjdzie bez śladu rdzy, to całkiem niezły zakład)

Wiele form rdzy zawiera „chemicznie związaną wodę” i utraci tę wodę (i skurczy się) po wystarczającym podgrzaniu.

Metal ułożony w pierścień rozszerza się na zewnątrz po podgrzaniu. Wyobraź sobie, że pierścień z cienkiego drutu jest podgrzewany - rozszerza się przede wszystkim na swojej długości, zwiększając zarówno średnicę wewnętrzną, jak i zewnętrzną. To samo dzieje się z materiałem wokół otworu na śrubę.

Ogólnie staram się ogrzewać otaczający element, a nie samą śrubę. Jednak nawet jeśli śruba jest ogrzewana bezpośrednio, przewodzenie zwykle prowadzi do nagrzania otaczającego materiału, a tym samym rozszerzenia otworu.

Więcej informacji naukowych na ten temat

Rozważmy podkładkę lub inny metalowy pierścień lub dysk z otworem. Kiedy pierścień jest ogrzewany, oczekujemy, że pierścień się rozszerzy, a eksperymenty potwierdzają, że się rozszerza. Ale czy dziura w pierścieniu rozszerza się, kurczy lub pozostaje tego samego rozmiaru?

... [T] pomyśl o tym, co robisz, gdy próbujesz otworzyć słoik Masona, a zakręcana metalowa pokrywa utknęła. Albo stuknij w pokrywkę łyżką (aby spróbować zgarnąć każdą zakleszczoną część pokrywki), lub umieść pokrywkę pod gorącą wodą. Robisz to drugie, ponieważ wiesz, że metalowa pokrywka rozszerzy się bardziej niż szklany słoik, dzięki czemu łatwiej będzie ją zdjąć.

Mówiąc, że metalowa pokrywka rozszerzy się bardziej niż szklany słoik, to tak naprawdę rozumiemy, że otwór w pokrywce się rozszerzy.

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​musisz podgrzać zamrożoną śrubę, aż stanie się pęcherzowa, czerwona i zmięknie, i wyjmij ją, gdy jest gorąca i miękka. Podgrzewanie bolca i pozostawienie go do ostygnięcia nigdy mi nie pomogło. Gdy metal się kurczy, śruba się chwyta; zwykle się nie rozluźnia ... to prawdopodobnie pogarsza sytuację.

To samo dotyczy kieliszków, które utknęły razem ... zimno, skurcz jest przyczyną zatarcia .

@Vladimir Cravero (przepraszam za mało rep, aby wprowadzić komentarz) ...

Myślę, że konieczne jest wyjaśnienie odpowiedzi. Orzech nie rozwija się „więcej”, kończy się większy, ale wzrost% jest taki sam.

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%

Moim zdaniem efekt ogrzewania polega na tym, że śruba i nakrętka lub blok nie tylko się rozszerzają, ale także powiększa się przestrzeń między nimi, nie zapominając o tym.

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

nieco większa przestrzeń między nimi, łatwiejsza do usunięcia. :)

Myślę, że istnieje wiele czynników, które przyczyniają się do tego efektu, ale myślę, że jeden nie został wspomniany. Innym sposobem na odblokowanie zablokowanej śruby jest uderzenie jej gwałtownym uderzeniem. Ogólnie rzecz biorąc, robisz coś dużego jak zawór, ale myślę, że podstawowy problem jest taki sam. W przypadku rdzy spodziewałbym się, że może to zniszczyć kruchą strukturę tlenku. Innym czynnikiem są dwa rodzaje tarcia. Występuje tarcie statyczne i tarcie kinetyczne. Rozważ ciężkie (wypełnione) pudełko kartonowe na podłodze. Jeśli spróbujesz go przesunąć, początkowo zostanie zablokowany. Gdy pudełko zacznie się poruszać, przesuwa się znacznie łatwiej. Z tego samego powodu źle jest zablokować hamulce w samochodzie. Gdy guma zacznie się ślizgać, tarcie jest znacznie zmniejszone.

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji. Oznacza to, że cząsteczki poruszają się w każdej substancji cieplejszej niż zero absolutne, a im szybciej się poruszają, tym wyższa jest temperatura. Kiedy coś podgrzejesz, dodajesz energię kinetyczną do systemu. To dosłownie powoduje, że cząsteczki śruby poruszają się coraz szybciej. W ciele cząsteczki nie poruszają się swobodnie w przestrzeni i zasadniczo wibrują. Poniższy obraz przedstawia ruch cząsteczek metalu po podgrzaniu.

Myślę, że możliwe jest, że ten energetyczny ruch sam w sobie mógłby wywołać taki sam efekt jak fala uderzeniowa wywołana ostrym pukaniem. Ta i nierównomierna zmiana wielkości śruby i nakrętki może przerwać tarcie statyczne i / lub rozbić kruchą rdzę. Wiem, że jeśli masz zardzewiałą żeliwną patelnię, jednym z rozwiązań jest umieszczenie jej w gorącym ogniu, a rdza po prostu odpadnie.

Ponieważ ciepło nie przemieszcza się natychmiast, nakrętka rozszerzy się bardziej niż śruba ... jeśli dobrze wszystko zaplanujesz ... co nie jest trywialne. W przypadku łożyska, a nie nakrętki / śruby, to [indukcyjne] ogrzewanie jest przemysłową metodą usuwania, jak pokazano na przykład w tym filmie , a jeszcze bardziej w przypadku mocowania. W tym przypadku działanie usuwające jest natychmiastowe, gdy pierścień łożyskowy zostanie wystarczająco rozgrzany. Problem z nakrętką / śrubą polega na tym, że na śrubę mogło przeniknąć dużo ciepła, być może zanim dokończysz usuwanie nakrętki. Cytując od praktyka tej sztuki „chcesz ogrzać nakrętkę, a nie śrubę”.

Problem dodatkowo komplikuje fakt, że nie ma jednej metody na zrobienie tego. Możesz zobaczyć w tym innym filmieże nakrętka staje się znacznie bielsza niż śruba, co oznacza, że ​​po podgrzaniu robi się znacznie cieplej. Problem polega na tym, że do momentu odkręcenia nakrętki już nie świeci [w ostatnim filmie], więc nie możemy wizualnie określić ich temperatury [różnica]. Powietrze jest jednak znacznie lepszym izolatorem, więc podejrzewam, że śruba chłodzi się szybciej niż nakrętka, ponieważ styka się z większą ilością metalu, który działa jak grzejnik. Film z kamerą termiczną byłby zdecydowanie dowodem, ale nie mogłem go znaleźć. Opis tego ostatniego wideo mówi również, że wiązania korozyjne są rozluźniane przez ogrzewanie, co również może być prawdą, ale nie sprawdziłem na ten temat wiedzy naukowej; twierdzenie to zakłada również, że wiązania te nie są natychmiast przywracane przez chłodzenie.

A w przypadku scenariusza przedstawionego we własnej odpowiedzi pytającego: w praktyce tak nie działa. Jeśli obejrzysz drugą połowę tego półgodzinnego wideo , koleś ostrożnie nagrzewa ramkę wokół samej śruby, a sukces zajmuje dużo czasu, cierpliwości i staranności, gdy „nakrętka” jest dużym kawałkiem.

Mam prostą odpowiedź, że nikt nie powiedział, że łeb śruby rozszerza się z powierzchni, poluzowując napięcie nitek, czyniąc go wystarczająco luźnym, aby się wyłączyć. Czasami śruby są zbyt ciasne, nawet jeśli nie są zardzewiałe.

Uważam, że jeśli rdza lub osad są czynnikiem zapobiegającym poluzowaniu, wysokie ciepło spowoduje, że gruz straci się wraz z upałem i poluzuje się, umożliwiając z łatwością obracanie się śruby lub części.

Włóż grosz do ościeżnicy i zamknij ją. Drzwi będą prawie niemożliwe do otwarcia, ponieważ tarcie utrzyma je na miejscu. Napięcie pozostałej części drzwi uniemożliwi jej ruch. Zardzewiała śruba jest zasadniczo tą samą zasadą - wiele małych połączeń utworzonych na gwintach śrub przez utleniony metal zapobiega jej obracaniu się.

Ciepło i rozszerzalność metalu służyły po prostu do zerwania tych wiązań. Nie ma to nic wspólnego z termodynamiką ani innymi bzdurami naukowymi. Jest to proste działanie mechaniczne rozszerzającego się metalu niszczącego rdzę.