Si el metal se expande cuando se calienta, ¿cómo se afloja el calentamiento de un perno?

Si tiene problemas para extraer un perno atascado, un consejo común es calentar el perno. Pero si el metal se expande cuando se calienta, ¿acaso calentar el perno simplemente dificultaría la extracción? ¿Cómo se desatasca el calentamiento del perno?

La respuesta es sorprendentemente simple: el perno se expande, pero la tuerca se expande más .

Lo que está sucediendo aquí es una buena expansión térmica:

• El perno se calienta y se expande hacia afuera, aumentando su radio
• La tuerca se calienta y ... se expande hacia afuera, aumentando su radio

Ahora, dado que el radio de la tuerca es ligeramente mayor que el del perno, y dado que el aumento es proporcional a la longitud del resto, la tuerca se expande un poco más.

El hierro tiene un coeficiente térmico en el estadio ^10-5 / K. Significa que por cada aumento de 1 K en la temperatura, tiene un aumento en el tamaño de ^10-5 : una barra de 1 m se convierte en 1.00001 m de largo.

Si su perno tiene r = 1.5 mm, y la tuerca tiene R = 1.501 mm, ¿qué sucede si la temperatura aumenta de 500 K? Bien:

• r = 1.5 * (1 + 500 * ^10-5 ) mm = 1.5075 mm
• R = 1.501 * (1 + 500 * ^10-5 ) mm = 1.508505 mm

Como puede ver, antes de calentar R - r = 1 μm, mientras que después de R - r ≈ 1.001 μm. Se incrementó!

Tenga en cuenta que mis números son bastante salvajes y se usan solo para hacer un ejemplo. Estoy seguro de que entendí mal los valores iniciales, pero espero que me ayuden a transmitir el mensaje de todos modos.

El secreto es la expansión restringida .

Aquí hay algunos diagramas crudos para ayudar a explicar cómo funciona.

^{Perno atrapado en un agujero}

Cuando el perno se calienta, se expande. Como el eje del perno está limitado, no puede expandirse dentro del agujero.

^{El perno se expande en la dirección de la flecha verde, pero no puede expandirse en la dirección de las flechas rojas.}

A medida que el tornillo se enfría, se contrae. La contracción, sin embargo, no está limitada. Esto significa que el perno puede encogerse en todas las direcciones, haciendo que el perno sea un poco más pequeño.

^{El perno puede contraerse en todas las direcciones.}

Una vez que el tornillo se haya enfriado, debería ser más pequeño y más fácil de extraer.

La razón real por la que esto generalmente funciona es que el óxido es significativamente más grande que el acero del que está oxidado, por lo que el perno está atascado en primer lugar. En algunos otros casos, la razón por la cual el calor funciona es que el perno se aplicó con un bloqueador de roscas que requiere calentamiento para quitarlo (si sale sin signos de óxido, es una buena apuesta)

Muchas formas de óxido contienen "agua unida químicamente" y perderán esa agua (y se encogerán) cuando se calienten lo suficiente.

El metal dispuesto en un anillo se expande hacia afuera cuando se calienta. Imagine que se calienta un anillo de alambre delgado: se expande principalmente a lo largo de su longitud, haciendo que los diámetros interno y externo sean más grandes. Lo mismo ocurre con el material alrededor de un agujero de perno.

En general, trato de calentar la pieza circundante y no el tornillo en sí. Sin embargo, incluso si el perno se calienta directamente, la conducción generalmente dará como resultado el calentamiento del material circundante y, por lo tanto, la expansión del orificio.

Más información científica sobre eso

Considere una arandela o algún otro anillo o disco de metal con un agujero. Cuando el anillo se calienta, esperamos que el anillo se expanda, y los experimentos confirman que sí se expande. ¿Pero el agujero en el anillo se expande, contrae o permanece del mismo tamaño?

... [T] piense en lo que hace cuando intenta abrir un tarro Mason y la tapa de metal con tapa de rosca está atascada. Tocas la tapa con una cuchara (para tratar de soltar cualquier parte de la tapa que esté atascada) o colocas la tapa bajo agua caliente. Haces esto último porque sabes que la tapa de metal se expandirá más que el frasco de vidrio, por lo que será más fácil quitar la tapa.

Y al decir que la tapa de metal se expandirá más que el frasco de vidrio, lo que realmente queremos decir es que el agujero en la tapa se expandirá.

En mi experiencia, tienes que calentar un rayo congelado hasta que esté ampollado, al rojo vivo y ablandado, y retirarlo mientras esté caliente y suave. Calentar el perno y dejar que se enfríe nunca me ha ayudado. Cuando el metal se contrae, el cerrojo se aferra; por lo general no se afloja ... probablemente empeora la situación.

Lo mismo es cierto para los vasos que se han quedado pegados ... el frío, la contracción es la causa de la incautación .

@Vladimir Cravero (lo siento, no hay suficiente representante para ingresar un comentario) ...

Creo que se necesita aclarar la respuesta. La tuerca no se expande "más", termina más grande pero el% de aumento es el mismo.

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%

Mi percepción del efecto del calentamiento es que no solo se expanden el perno y la tuerca o el bloque, sino que también se expande el espacio entre ellos, no se olviden de eso.

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

espacio un poco más grande entre ellos también, más fácil de quitar. :)

Creo que hay múltiples factores que contribuyen a este efecto, pero creo que uno no ha sido mencionado. Otra forma de hacer que se suelte un perno atascado es golpearlo golpeándolo fuertemente. En general, esto es algo que hace algo grande como una válvula, pero creo que el problema subyacente es el mismo. Para el óxido, esperaría que esto pueda destruir la frágil estructura del óxido. Otro factor es que hay dos tipos de fricción. Hay fricción estática y fricción cinética. Considere una caja de cartón pesada (llena) en el piso. Si intenta deslizarlo, inicialmente estará 'atascado'. Una vez que la caja comienza a moverse, se desliza mucho más fácilmente. Esta es la misma razón por la que es malo bloquear los frenos de un automóvil. Una vez que el caucho comienza a deslizarse, la fricción se reduce significativamente.

La temperatura es la medida de la energía cinética promedio de las moléculas de una sustancia. Es decir, las moléculas se mueven en cualquier sustancia más caliente que el cero absoluto y cuanto más rápido se mueven, mayor será la temperatura. Cuando calientas algo, estás agregando energía cinética al sistema. Esto literalmente está causando que las moléculas del perno se muevan cada vez más rápido. En un sólido, las moléculas no se mueven libremente en el espacio y esencialmente vibran. La siguiente imagen es una representación de cómo se mueven las moléculas metálicas cuando se calientan.

Creo que es posible que este movimiento enérgico pueda, por sí solo, crear el mismo efecto que la onda de choque causada por un golpe fuerte. Eso y un cambio desigual en el tamaño del perno y la tuerca podrían romper la fricción estática y / o romper el óxido frágil. Sé que si tienes una sartén de hierro fundido oxidado, una solución es ponerla al fuego y la oxidación simplemente se caerá.

Debido a que el calor no viaja instantáneamente, la tuerca se expandirá más que el perno ... si sincroniza bien las cosas ... lo cual no es trivial. Para un rodamiento en lugar de una tuerca / perno, este calentamiento [de inducción] es un método industrial de extracción, como se muestra en este video, por ejemplo, y aún más para la fijación. La acción de extracción es instantánea en este caso, una vez que el anillo de rodamiento se calienta lo suficiente. El problema con una tuerca / perno es que puede haberse transferido mucho calor al perno, tal vez antes de que haya terminado de quitar la tuerca. Citando de un practicante de este arte "quieres calentar la tuerca y no el perno".

El problema se complica aún más por el hecho de que no hay un solo método para hacerlo. Puedes ver en este otro videoque la tuerca se pone mucho más blanca que el perno, lo que significa que se calienta mucho más cuando se calienta. El problema es que para cuando se quita la tuerca, ya no está brillando [en ese último video], por lo que no podemos ver visualmente su [diferencia] de temperatura. Sin embargo, el aire es un aislante mucho mejor, por lo que sospecho que el perno se enfría más rápido que la tuerca porque hace contacto con más metal, que actúa como un radiador. Un video con una cámara térmica sería una prueba definitiva, pero no pude encontrar una. La descripción de ese último video también dice que los enlaces corrosivos se aflojan por calentamiento, lo cual también puede ser cierto, pero no he comprobado la ciencia en este bit; Esta afirmación también supone que esos enlaces no se restauran de inmediato por enfriamiento.

Y para el escenario representado en la propia respuesta del interrogador: no funciona así en la práctica. Si miras la segunda mitad de este video de media hora , el tipo está calentando cuidadosamente el marco alrededor del tornillo, y lleva mucho tiempo, paciencia y cuidado tener éxito cuando la "tuerca" es una pieza grande.

Tengo una respuesta simple de que nadie ha dicho que la cabeza del perno se expande fuera de la superficie, aflojando la tensión de los hilos y haciendo que se suelte lo suficiente como para apagarse. A veces los tornillos están demasiado apretados incluso cuando no están oxidados.

Creo que si el óxido o el sedimento es un factor para evitar el aflojamiento, el calor elevado hará que los desechos se suelten con el calor y se suelten, permitiendo que el perno o la pieza en cuestión giren con facilidad.

Pon un centavo en la jamba de una puerta y ciérrala. La puerta será casi imposible de abrir, porque la fricción la mantendrá en su lugar. La flexión del resto de la puerta evitará que se mueva. Un perno oxidado es esencialmente el mismo principio: muchas uniones pequeñas formadas en las roscas de los pernos por metal oxidado evitan que gire.

El calor y la expansión del metal simplemente sirvieron para romper esos enlaces. No tiene nada que ver con la termodinámica o cualquier otra tontería científica. Es la simple acción mecánica del metal en expansión rompiendo el óxido.