Se il metallo si espande quando viene riscaldato, in che modo il riscaldamento di un bullone lo allenta?

Se hai problemi a rimuovere un bullone bloccato, un consiglio comune è di scaldarlo. Ma se il metallo si espande quando riscaldato, il riscaldamento del bullone non renderebbe più difficile la rimozione? Come si sblocca il riscaldamento del bullone?

La risposta è sorprendentemente semplice: il bullone si espande, ma il dado si espande di più .

Quello che sta succedendo qui è una buona vecchia espansione termica:

• Il bullone viene riscaldato e si espande verso l'esterno, aumentando il raggio
• Il dado viene riscaldato e ... si espande verso l'esterno, il suo raggio aumenta

Ora, poiché il raggio del dado è leggermente maggiore di quello del bullone e poiché l'aumento è proporzionale alla lunghezza del resto, il dado si espande un po 'di più.

Il ferro ha un coefficiente termico nel campo da baseball 10 ^-5 / K. Ciò significa che per ogni aumento di 1 K di temperatura si ha un aumento delle dimensioni di 10 ^-5 : un'asta da 1 m diventa lunga 1.00001 m.

Se il bullone ha r = 1,5 mm e il dado ha R = 1,501 mm, cosa succede se la temperatura è aumentata di 500 K? Bene:

• r = 1,5 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1,5075 mm
• R = 1.501 * (1 + 500 * 10 ^-5 ) mm = 1.508505 mm

Come puoi vedere, prima di riscaldare R - r = 1 μm, mentre dopo R - r ≈ 1,00 μm. È aumentato!

Nota che i miei numeri sono abbastanza selvaggi e usati solo per fare un esempio. Sono sicuro di aver sbagliato i valori iniziali, ma spero che aiutino comunque a trasmettere il messaggio.

Il segreto è l' espansione limitata .

Ecco alcuni diagrammi grezzi per aiutare a spiegare come funziona.

^{Bolt bloccato in un buco}

Quando il bullone viene riscaldato, si espande. Poiché l'albero del bullone è vincolato, non può espandersi all'interno del foro.

^{Il bullone si espande nella direzione della freccia verde, ma non può espandersi nella direzione delle frecce rosse.}

Man mano che il bullone si raffredda, si contrae. La contrazione, tuttavia, non è vincolata. Ciò significa che il bullone può restringersi in tutte le direzioni, rendendo il bullone leggermente più piccolo.

^{Il bullone è in grado di contrarsi in tutte le direzioni.}

Una volta che il bullone si è raffreddato, dovrebbe essere più piccolo e più facile da estrarre.

Il vero motivo per cui di solito funziona è che la ruggine è significativamente più grande dell'acciaio da cui è arrugginita, motivo per cui il bullone è bloccato in primo luogo. In alcuni altri casi il motivo per cui il calore funziona è che il bullone è stato applicato con un frenafiletti che richiede il riscaldamento per rimuovere (se esce senza segni di ruggine, è una scommessa abbastanza buona)

Molte forme di ruggine contengono "acqua legata chimicamente" e perderanno quell'acqua (e si restringono) se riscaldata a sufficienza.

Il metallo disposto in un anello si espande verso l'esterno quando riscaldato. Immagina di riscaldare un anello di filo sottile, che si espande principalmente lungo la sua lunghezza, allargando sia il diametro interno che quello esterno. Lo stesso accade con il materiale attorno a un foro del bullone.

In genere, provo a riscaldare il pezzo circostante e non il bullone stesso. Tuttavia, anche se il bullone viene riscaldato direttamente, la conduzione di solito provoca il riscaldamento del materiale circostante e quindi l'espansione del foro.

Maggiori informazioni scientifiche su questo

Prendi in considerazione una rondella o qualche altro anello o disco di metallo con un foro. Quando l'anello viene riscaldato, ci aspettiamo che l'anello si espanda e gli esperimenti confermano che si espande. Ma il buco nell'anello si espande, si contrae o rimane della stessa dimensione?

... [T] pensa a cosa fai quando stai cercando di aprire un barattolo di vetro, e il coperchio di metallo a vite è bloccato. O si tocca il coperchio con un cucchiaio (per cercare di liberare qualsiasi parte del coperchio che è bloccato) o si mette il coperchio sotto l'acqua calda. Fai quest'ultimo perché sai che il coperchio di metallo si espanderà più del barattolo di vetro, e quindi sarà più facile toglierlo.

E dicendo che il coperchio di metallo si espanderà più del barattolo di vetro, ciò che intendiamo veramente è che il foro nel coperchio si espanderà.

Nella mia esperienza, devi riscaldare un bullone congelato fino a quando non diventa bollente, rovente e diventa morbido e rimuoverlo mentre è caldo e morbido. Riscaldare il bullone e lasciarlo raffreddare non mi ha mai aiutato. Man mano che il metallo si contrae, il bullone si impiglia; di solito non si allenta ... probabilmente peggiora la situazione.

Lo stesso vale per i bicchieri che si sono bloccati insieme ... freddo, la contrazione è la causa del grippaggio .

@Vladimir Cravero (scusate non abbastanza rappresentante per inserire un commento) ...

Penso che sia necessario chiarire la risposta. Il dado non si espande "di più", finisce più grande ma l'aumento% è lo stesso.

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%

La mia percezione dell'effetto del riscaldamento è che non solo il bullone e il dado o il blocco si espandono, ma anche lo spazio tra loro si espande, non dimenticarlo.

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

anche uno spazio leggermente più grande tra, più facile da rimuovere. :)

Penso che ci siano più fattori che contribuiscono a questo effetto, ma penso che uno non sia stato menzionato. Un altro modo per ottenere un bullone bloccato è quello di scioccarlo colpendolo bruscamente. Generalmente questo è qualcosa che fai qualcosa di grosso come una valvola, ma penso che il problema di fondo sia lo stesso. Per la ruggine, mi aspetterei che questo possa distruggere la fragile struttura dell'ossido. Un altro fattore è che esistono due tipi di attrito. C'è attrito statico e attrito cinetico. Considera una scatola di cartone pesante (piena) su un pavimento. Se provi a farlo scorrere, inizialmente sarà "bloccato". Una volta che la scatola inizia a muoversi, scorre molto più facilmente. Questo è lo stesso motivo per cui è brutto bloccare i freni di un'auto. Una volta che la gomma inizia a scivolare, l'attrito si riduce notevolmente.

La temperatura è la misura dell'energia cinetica media delle molecole di una sostanza. Cioè, le molecole si muovono in qualsiasi sostanza più calda dello zero assoluto e più velocemente si muovono, più alta è la temperatura. Quando riscaldi qualcosa, stai aggiungendo energia cinetica al sistema. Questo sta letteralmente facendo muovere le molecole del bullone sempre più rapidamente. In un solido, le molecole non si muovono liberamente nello spazio e essenzialmente vibrano. L'immagine seguente è una rappresentazione di come le molecole metalliche si muovono quando riscaldate.

Penso che sia possibile che questo movimento energico possa, da solo, creare lo stesso effetto dell'onda d'urto causata da un forte colpo. Questo e una variazione non uniforme delle dimensioni del bullone e del dado potrebbero rompere l'attrito statico e / o frantumare la fragile ruggine. So che se hai una padella in ghisa arrugginita, una soluzione è metterla in un fuoco caldo e la ruggine semplicemente cadrà.

Poiché il calore non viaggia istantaneamente, il dado si espanderà più del bullone ... se cronometri le cose nel modo giusto ... il che non è banale. Per un cuscinetto anziché un dado / bullone, questo riscaldamento [a induzione] è un metodo industriale di rimozione, come mostrato in questo video, ad esempio, e ancor di più per l'apposizione. L'azione di rimozione è istantanea in questo caso, una volta che l'anello del cuscinetto è sufficientemente riscaldato. Il problema con un dado / bullone è che molto calore potrebbe essersi trasferito al bullone, forse prima di aver finito di rimuovere il dado. Citando un praticante di questa arte "vuoi scaldare il dado e non il bullone".

Il problema è ulteriormente aggravato dal fatto che non esiste un solo metodo per farlo. Puoi vedere in questo altro videoche il dado diventa molto più bianco del bullone, il che significa che diventa molto più caldo quando riscaldato. Il problema è che quando il dado viene rimosso, nessuno dei due brilla più [in quell'ultimo video], quindi non possiamo dire visivamente la loro temperatura [differenza]. L'aria tuttavia è un isolante molto migliore, quindi sospetto che il bullone si raffreddi più velocemente del dado perché entra in contatto con più metallo, che funge da radiatore. Un video con una termocamera sarebbe una prova definitiva, ma non sono riuscito a trovarne uno. La descrizione di quell'ultimo video dice anche che i legami corrosivi vengono allentati dal riscaldamento, il che potrebbe anche essere vero, ma non ho verificato la scienza su questo punto; questa affermazione presuppone inoltre che tali obbligazioni non vengano immediatamente ripristinate dal raffreddamento.

E per lo scenario rappresentato nella risposta dell'interrogatore: in pratica non funziona così. Se guardi la seconda metà di questo video di mezz'ora , il tipo sta riscaldando con cura il telaio attorno al bullone stesso, e ci vuole molto tempo, pazienza e cura per avere successo quando il "dado" è un pezzo di grandi dimensioni.

Ho una risposta semplice che nessuno ha detto che la testa del bullone si espande dalla superficie allentando la tensione dai fili rendendola così libera da spegnersi. A volte i bulloni sono troppo stretti anche quando non sono arrugginiti.

Credo che se la ruggine o i sedimenti sono un fattore che impedisce l'allentamento, l'elevato calore causerà la perdita dei detriti con il calore e l'allentamento, consentendo al bullone o alla parte in questione di ruotare con facilità.

Metti un penny in uno stipite della porta e chiudilo. La porta sarà quasi impossibile da aprire, perché l'attrito la manterrà in posizione. La flessione del resto della porta impedisce che si muova. Un bullone arrugginito è essenzialmente lo stesso principio: molti piccoli legami formati sui fili dei bulloni da metallo ossidato ne impediscono la rotazione.

Il calore e l'espansione del metallo servivano semplicemente a spezzare quei legami. Non ha nulla a che fare con la termodinamica o altre assurdità scientifiche. È la semplice azione meccanica del metallo in espansione che rompe la ruggine.