Wenn sich Metall beim Erhitzen ausdehnt, wie löst es sich, wenn ein Bolzen erhitzt wird?

Wenn Sie Probleme haben, einen festsitzenden Bolzen zu entfernen, sollten Sie den Bolzen aufheizen. Aber wenn sich das Metall beim Erhitzen ausdehnt, würde es dann nicht schwieriger sein, den Bolzen zu entfernen, wenn er erwärmt wird? Wie wird der Bolzen durch Erhitzen gelöst?

Die Antwort ist überraschend einfach: Der Bolzen dehnt sich aus, aber die Mutter dehnt sich stärker aus .

Was hier passiert, ist eine gute alte Wärmeausdehnung:

• Der Bolzen erwärmt sich und dehnt sich mit zunehmendem Radius nach außen aus
• Die Mutter erwärmt sich und ... dehnt sich mit zunehmendem Radius nach außen aus

Da der Radius der Mutter etwas größer als der der Schraube ist und die Vergrößerung proportional zur Ruhelänge ist, dehnt sich die Mutter etwas mehr aus.

Eisen hat einen thermischen Koeffizienten im 10 ^-5 / K-Ballpark. Das bedeutet, dass Sie mit jeder Temperaturerhöhung von 1 K eine Zunahme von 10 ^{-5 haben} : Eine 1 m lange Stange wird 1.00001 m lang.

Wenn Ihre Schraube r = 1,5 mm und die Mutter R = 1,501 mm hat, wird die Temperatur dann um 500 K erhöht? Gut:

• r = 1.5 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1.5075 mm
• R = 1.501 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1,508505 mm

Wie Sie sehen können, ist vor dem Erhitzen R - r = 1 & mgr; m, während nach R - r = 1,001 & mgr; m. Es steigerte sich!

Bitte beachten Sie, dass meine Zahlen ziemlich wild sind und nur als Beispiel dienen. Ich bin mir sicher, dass ich die Anfangswerte falsch angegeben habe, aber ich hoffe, sie helfen trotzdem, die Botschaft zu vermitteln.

Das Geheimnis ist die eingeschränkte Expansion .

Hier sind einige grobe Diagramme, um zu erklären, wie es funktioniert.

^{Bolzen steckt in einem Loch}

Wenn der Bolzen erhitzt wird, dehnt er sich aus. Da der Schaft des Bolzens eingespannt ist, kann er sich nicht innerhalb des Lochs ausdehnen.

^{Der Bolzen dehnt sich in Richtung des grünen Pfeils aus, kann sich jedoch nicht in Richtung der roten Pfeile ausdehnen.}

Wenn sich der Bolzen abkühlt, zieht er sich zusammen. Die Kontraktion ist jedoch nicht eingeschränkt. Dies bedeutet, dass der Bolzen in alle Richtungen schrumpfen kann, wodurch der Bolzen etwas kleiner wird.

^{Der Bolzen kann sich in alle Richtungen zusammenziehen.}

Sobald der Bolzen abgekühlt ist, sollte er kleiner und leichter zu entfernen sein.

Der eigentliche Grund, warum dies normalerweise funktioniert, ist, dass der Rost erheblich größer ist als der Stahl, aus dem er verrostet ist, weshalb der Bolzen an erster Stelle feststeckt. In einigen anderen Fällen ist der Grund, warum Hitze funktioniert, der Grund, warum die Schraube mit einem Schraubensicherungsmittel angebracht wurde, das zum Entfernen erhitzt werden muss (wenn es ohne Anzeichen von Rost herauskommt, ist das eine ziemlich gute Wette).

Viele Rostarten enthalten "chemisch gebundenes Wasser" und verlieren dieses Wasser (und schrumpfen), wenn sie ausreichend erhitzt werden.

In einem Ring angeordnetes Metall dehnt sich beim Erhitzen nach außen aus. Stellen Sie sich einen Ring aus dünnem Draht vor, der erhitzt wird - er dehnt sich hauptsächlich entlang seiner Länge aus und vergrößert sowohl den Innen- als auch den Außendurchmesser. Gleiches gilt für das Material um ein Bolzenloch.

Im Allgemeinen versuche ich, das umgebende Stück und nicht den Bolzen selbst zu erhitzen. Selbst wenn der Bolzen direkt erwärmt wird, führt die Leitung normalerweise zu einer Erwärmung des umgebenden Materials und damit zu einer Erweiterung der Bohrung.

Mehr wissenschaftliche Informationen dazu

Stellen Sie sich eine Unterlegscheibe oder einen anderen Metallring oder eine andere Metallscheibe mit einem Loch vor. Wenn der Ring erwärmt wird, erwarten wir, dass sich der Ring ausdehnt, und Experimente bestätigen, dass er sich ausdehnt. Aber dehnt sich das Loch im Ring aus, zieht sich zusammen oder bleibt es gleich groß?

... Machen Sie sich Gedanken darüber, was Sie tun, wenn Sie versuchen, ein Einmachglas zu öffnen, und der Metalldeckel mit Schraubverschluss steckt fest. Sie klopfen entweder mit einem Löffel auf den Deckel (um zu versuchen, einen Teil des Deckels zu lösen, der festsitzt), oder Sie legen den Deckel unter heißes Wasser. Sie tun letzteres, weil Sie wissen, dass sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glas, und es daher einfacher ist, den Deckel abzunehmen.

Und wenn wir sagen, dass sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glas, meinen wir damit, dass sich das Loch im Deckel ausdehnt.

Nach meiner Erfahrung müssen Sie einen gefrorenen Bolzen erhitzen, bis er Blasen bildet, glühend heiß und weich wird, und ihn entfernen, solange er heiß und weich ist. Das Erhitzen und Abkühlenlassen des Bolzens hat mir nie geholfen. Wenn sich das Metall zusammenzieht, greift der Bolzen. es löst sich normalerweise nicht ... es verschlimmert wahrscheinlich die Situation.

Gleiches gilt für zusammengeklebte Trinkgläser ... Kälte, Kontraktion ist die Ursache für das Festfressen .

@Vladimir Cravero (Es tut uns leid, aber nicht genug Mitarbeiter, um einen Kommentar einzugeben) ...

Ich denke, dass eine Klärung der Antwort erforderlich ist. Die Nuss dehnt sich nicht "mehr" aus, sie wird größer, aber der prozentuale Anstieg ist der gleiche.

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%

Meine Wahrnehmung des Effekts der Erwärmung ist, dass sich nicht nur der Bolzen und die Mutter oder der Block ausdehnen, sondern sich auch der Raum zwischen ihnen ausdehnt, vergessen Sie das nicht.

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

etwas mehr Platz dazwischen, leichter zu entfernen. :)

Ich denke, es gibt mehrere Faktoren, die zu diesem Effekt beitragen, aber ich denke, einer wurde nicht erwähnt. Eine andere Möglichkeit, einen festsitzenden Bolzen zum Lösen zu bringen, besteht darin, ihn durch heftiges Schlagen zu schockieren. Im Allgemeinen macht man so etwas wie ein Ventil, aber ich denke, das zugrunde liegende Problem ist dasselbe. Bei Rost würde ich erwarten, dass dies die spröde Struktur des Oxids zerstören kann. Ein weiterer Faktor ist, dass es zwei Arten von Reibung gibt. Es gibt Haftreibung und kinetische Reibung. Stellen Sie sich einen schweren (gefüllten) Karton auf dem Boden vor. Wenn Sie versuchen, es zu schieben, wird es zunächst "stecken". Sobald die Box anfängt sich zu bewegen, gleitet sie viel leichter. Dies ist der gleiche Grund, warum es schlecht ist, die Bremsen an einem Auto zu blockieren. Sobald der Gummi zu gleiten beginnt, wird die Reibung erheblich reduziert.

Die Temperatur ist das Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle einer Substanz. Das heißt, die Moleküle bewegen sich in jeder Substanz, die wärmer als der absolute Nullpunkt ist, und je schneller sie sich bewegen, desto höher ist die Temperatur. Wenn Sie etwas erhitzen, fügen Sie dem System kinetische Energie hinzu. Dies führt buchstäblich dazu, dass sich die Moleküle des Bolzens immer schneller bewegen. In einem Festkörper bewegen sich die Moleküle nicht frei im Raum und vibrieren im Wesentlichen. Das folgende Bild zeigt, wie sich Metallmoleküle beim Erhitzen bewegen.

Ich denke, es ist möglich, dass diese energetische Bewegung für sich genommen den gleichen Effekt wie die durch ein scharfes Klopfen verursachte Stoßwelle hervorruft. Dies und eine ungleichmäßige Änderung der Größe der Schraube und der Mutter können die Haftreibung brechen und / oder den spröden Rost zerbrechen. Ich weiß, dass, wenn Sie eine rostige Gusseisenbratpfanne haben, eine Lösung darin besteht, sie in ein heißes Feuer zu legen und der Rost wird einfach abfallen.

Da sich die Wärme nicht sofort ausbreitet, dehnt sich die Mutter stärker aus als der Bolzen ... wenn Sie es richtig anstellen ... was nicht trivial ist. Bei einem Lager anstelle einer Mutter / Schraube handelt es sich bei dieser [Induktions-] Erwärmung um eine branchenübliche Methode zum Entfernen, wie in diesem Video gezeigt , und insbesondere zum Befestigen. Die Entfernung erfolgt in diesem Fall sofort, sobald der Lagerring ausreichend erwärmt ist. Das Problem mit einer Mutter / Schraube ist, dass möglicherweise viel Wärme auf die Schraube übertragen wurde, bevor Sie die Mutter entfernt haben. Zitat eines Praktikers dieser Kunst "Sie möchten die Mutter und nicht die Schraube erhitzen".

Das Problem wird noch durch die Tatsache verschärft, dass es hierfür keine einzige Methode gibt. Sie können in diesem anderen Video sehendass die Mutter viel weißer wird als die Schraube, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen viel heißer wird. Der Haken ist, dass zu dem Zeitpunkt, an dem die Nuss entfernt wird, weder mehr leuchtet [in diesem letzten Video], so dass wir ihre Temperatur [Differenz] nicht visuell erkennen können. Luft ist jedoch ein viel besserer Isolator, daher vermute ich, dass die Schraube schneller abkühlt als die Mutter, weil sie mehr Metall berührt, das als Kühler fungiert. Ein Video mit einer Wärmebildkamera wäre definitiv ein Beweis, aber ich konnte keinen finden. Die Beschreibung des letzten Videos besagt auch, dass sich korrosive Bindungen durch Erhitzen lösen, was zwar auch zutrifft, aber ich habe die Wissenschaft in diesem Punkt nicht überprüft. Diese Behauptung geht auch davon aus, dass diese Bindungen nicht sofort durch Abkühlen wiederhergestellt werden.

Und für das in der Antwort des Fragestellers dargestellte Szenario: In der Praxis funktioniert das nicht so. Wenn Sie sich die zweite Hälfte dieses halbstündigen Videos ansehen , erwärmt der Typ vorsichtig den Rahmen um den Bolzen selbst, und es erfordert viel Zeit, Geduld und Sorgfalt, um erfolgreich zu sein, wenn die "Mutter" ein großes Stück ist.

Ich habe eine einfache Antwort, dass niemand gesagt hat, dass sich der Kopf des Bolzens von der Oberfläche ausdehnt, wodurch die Spannung des Gewindes gelöst wird und es so locker wird, dass es sich abstellt. Manchmal sind die Schrauben zu fest, auch wenn sie nicht verrostet sind.

Ich glaube, dass, wenn Rost oder Sediment ein Faktor ist, der das Lösen verhindert, die hohe Hitze dazu führt, dass sich die Trümmer mit der Hitze lösen und sich lösen, sodass sich der betreffende Bolzen oder das betreffende Teil leicht drehen kann.

Gib einen Penny in einen Türpfosten und schließe ihn. Die Tür lässt sich kaum öffnen, da sie durch Reibung an Ort und Stelle gehalten wird. Das Biegen des übrigen Teils der Tür verhindert, dass sich diese bewegt. Ein verrosteter Bolzen ist im Wesentlichen dasselbe Prinzip - viele kleine Bindungen, die durch oxidiertes Metall an den Gewinden des Bolzens gebildet werden, verhindern, dass er sich dreht.

Die Hitze und Ausdehnung des Metalls diente lediglich dazu, diese Bindungen zu lösen. Es hat nichts mit Thermodynamik oder irgendeinem anderen wissenschaftlichen Unsinn zu tun. Es ist die einfache mechanische Wirkung des Streckmetalls, das den Rost aufbricht.