Wenn sich Metall beim Erhitzen ausdehnt, wie löst sich das Erhitzen einer Schraube?

Die Antwort ist überraschend einfach: Die Schraube dehnt sich aus, aber die Mutter dehnt sich mehr aus .

Was hier passiert, ist die gute alte Wärmeausdehnung:

• Der Bolzen wird erhitzt und dehnt sich nach außen aus, wobei sein Radius zunimmt
• Die Nuss wird erhitzt und ... dehnt sich mit zunehmendem Radius nach außen aus

Da nun der Radius der Mutter etwas größer ist als der der Schraube und da die Zunahme proportional zur Restlänge ist, dehnt sich die Mutter etwas mehr aus.

Eisen hat einen thermischen Koeffizienten im Bereich von 10 ^–5 /K. Das bedeutet, dass Sie für jede Temperaturerhöhung um 1 K eine Größenzunahme von 10 ^-5 haben : Ein 1 m langer Stab wird 1,00001 m lang.

Wenn Ihre Schraube r = 1,5 mm und die Mutter R = 1,501 mm hat, was passiert, wenn die Temperatur um 500 K erhöht wird? Brunnen:

• 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 μm, während nach R - r ≈ 1,001 μm. Es steigerte sich!

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

Das Geheimnis ist 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 eingeschränkt ist, kann er sich nicht im Loch ausdehnen.

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

Wenn 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 herauszuziehen sein.

Der eigentliche Grund, warum dies normalerweise funktioniert, ist, dass Rost wesentlich größer ist als der Stahl, aus dem er rostet, weshalb die Schraube überhaupt festsitzt. In einigen anderen Fällen ist der Grund, warum Hitze funktioniert, dass die Schraube mit einer Schraubensicherung aufgetragen wurde, die zum Entfernen erhitzt werden muss (wenn sie ohne Anzeichen von Rost herauskommt, ist das eine ziemlich gute Wette).

Viele Formen von Rost enthalten „chemisch gebundenes Wasser“ und verlieren dieses Wasser (und schrumpfen), wenn sie ausreichend erhitzt werden.

Ringförmig angeordnetes Metall dehnt sich bei Erwärmung nach außen aus. Stellen Sie sich einen Ring aus dünnem Draht vor, der erhitzt wird – er dehnt sich hauptsächlich entlang seiner Länge aus, wodurch sowohl der Innen- als auch der Außendurchmesser größer werden. Dasselbe gilt für das Material um ein Schraubenloch herum.

Im Allgemeinen versuche ich, das umgebende Teil zu erhitzen und nicht die Schraube selbst. Aber selbst wenn der Bolzen direkt erhitzt wird, führt die Leitung normalerweise zu einer Erwärmung des umgebenden Materials und daher zu einer Ausdehnung der Bohrung.

Weitere wissenschaftliche Informationen dazu

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

...[D]denken Sie darüber nach, was Sie tun, wenn Sie versuchen, ein Einmachglas zu öffnen, und der Metalldeckel mit Schraubverschluss klemmt. Du klopfst entweder mit einem Löffel auf den Deckel (um zu versuchen, festsitzende Teile des Deckels zu lösen) oder du hältst den Deckel unter heißes Wasser. Du machst Letzteres, weil du weißt, dass sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glasgefäß, und es daher einfacher ist, den Deckel abzunehmen.

Und wenn wir sagen, dass sich der Metalldeckel mehr ausdehnt als das Glasgefäß, meinen wir wirklich, dass sich das Loch im Deckel ausdehnt.

Meiner Erfahrung nach müssen Sie einen gefrorenen Bolzen erhitzen, bis er Blasen schlägt, rotglühend und weich wird, und ihn entfernen, während er heiß und weich ist. Das Erhitzen des Bolzens und Abkühlenlassen hat mir nie geholfen. Wenn sich das Metall zusammenzieht, greift der Bolzen; es lockert sich normalerweise nicht ... es macht die Situation wahrscheinlich noch schlimmer.

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

@Vladimir Cravero (leider nicht genug Repräsentant, um einen Kommentar einzugeben)...

Ich denke, eine Klärung der Antwort ist erforderlich. Die Nuss dehnt sich nicht "mehr" aus, sie wird größer, aber die prozentuale Zunahme ist gleich.

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 Erwärmungseffekts ist, dass sich nicht nur die Schraube und die Mutter oder der Block ausdehnen, sondern auch der Raum zwischen ihnen sich ausdehnt, vergessen Sie das nicht.

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

etwas größerer Zwischenraum auch, 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 zu schocken, indem man ihn scharf schlägt. Im Allgemeinen macht man so etwas Großes 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 Gleitreibung. Stellen Sie sich einen schweren (gefüllten) Karton auf dem Boden vor. Wenn Sie versuchen, es zu verschieben, bleibt es zunächst „hängen“. Sobald sich die Kiste in Bewegung setzt, gleitet sie viel leichter. Aus dem gleichen Grund ist es schlecht, die Bremsen eines Autos zu blockieren. Sobald der Gummi zu gleiten beginnt, wird die Reibung deutlich reduziert.

Die Temperatur ist das Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Stoffes. 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. Dadurch bewegen sich die Moleküle des Bolzens buchstäblich immer schneller. In einem Festkörper bewegen sich die Moleküle nicht frei im Raum und schwingen im Wesentlichen. Das folgende Bild zeigt, wie sich Metallmoleküle beim Erhitzen bewegen.

Ich denke, es ist möglich, dass diese energische Bewegung selbst den gleichen Effekt hervorrufen könnte wie die Schockwelle, die durch einen harten Schlag verursacht wird. Dies und eine ungleichmäßige Größenänderung von Schraube und Mutter könnten die Haftreibung aufheben und/oder den spröden Rost zertrümmern. Ich weiß, wenn Sie eine verrostete Gusseisenpfanne haben, besteht eine Lösung darin, sie in ein heißes Feuer zu legen, und der Rost wird einfach abfallen.

Da sich Wärme nicht sofort ausbreitet, dehnt sich die Mutter stärker aus als die Schraube ... wenn Sie die Dinge richtig einstellen ... was nicht trivial ist. Für ein Lager und nicht für eine Mutter/Schraube ist diese [induktive] Erwärmung eine industrielle Methode zum Entfernen, wie zum Beispiel in diesem Video gezeigt , und noch mehr zum Befestigen. Der Entfernungsvorgang erfolgt in diesem Fall sofort, sobald der Lagerring ausreichend erhitzt ist. Das Problem bei einer Mutter/Schraube ist, dass möglicherweise viel Wärme auf die Schraube übertragen wurde, vielleicht bevor Sie die Mutter entfernt haben. Zitat von einem Praktiker dieser Kunst "Sie möchten die Mutter und nicht die Schraube erhitzen".

Das Problem wird durch die Tatsache weiter verschärft, dass es keine einzige Methode gibt, dies zu tun. 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, beide nicht mehr glühen [in diesem letzten Video], sodass wir ihre Temperatur nicht visuell erkennen können [Unterschied]. Luft ist jedoch ein viel besserer Isolator, daher vermute ich, dass die Schraube schneller abkühlt als die Mutter, weil sie mit mehr Metall in Kontakt kommt, das als Kühler fungiert. Ein Video mit einer Wärmebildkamera wäre ein eindeutiger Beweis, aber ich konnte keines finden. Die Beschreibung dieses letzten Videos besagt auch, dass korrosive Bindungen durch Erhitzen gelockert werden, was auch wahr sein kann, aber ich habe die Wissenschaft zu diesem Teil nicht überprüft; Diese Behauptung setzt auch voraus, dass diese Bindungen nicht sofort durch Abkühlung wiederhergestellt werden.

Und für das in der eigenen Antwort des Fragestellers geschilderte Szenario: In der Praxis funktioniert das so nicht. Wenn Sie sich die zweite Hälfte dieses halbstündigen Videos ansehen , erwärmt der Typ vorsichtig den Rahmen um die Schraube selbst, und es braucht 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 und die Spannung von den Fäden löst, wodurch er locker genug wird, um sich auszuschalten. Manchmal sind Schrauben zu fest, selbst wenn sie nicht verrostet sind.

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

Stecken Sie einen Penny in einen Türpfosten und schließen Sie ihn. Die Tür wird fast unmöglich zu öffnen sein, da Reibung sie an Ort und Stelle hält. Das Biegen des Rests der Tür verhindert, dass sie sich bewegt. Ein verrosteter Bolzen ist im Wesentlichen das gleiche Prinzip – viele kleine Bindungen, die durch oxidiertes Metall auf den Gewinden der Bolzen gebildet werden, verhindern, dass er sich dreht.

Die Hitze und Ausdehnung des Metalls diente einfach dazu, diese Bindungen zu brechen. Es hat nichts mit Thermodynamik oder anderem wissenschaftlichen Unsinn zu tun. Es ist die einfache mechanische Wirkung des sich ausdehnenden Metalls, das den Rost bricht.