Przewężenie Z – definicja, wzór, pomiar i znaczenie

Przewężenie Z jest jednym z parametrów określających zdolność metalu do odkształcenia plastycznego podczas próby rozciągania. Określa procentowe zmniejszenie pola przekroju poprzecznego próbki w miejscu jej zerwania w stosunku do początkowego pola przekroju.
Przewężenie Z podawane jest w procentach (%). Wraz z wydłużeniem po zerwaniu A dostarcza informacji o plastycznym zachowaniu materiału przed zniszczeniem.
Parametr ten jest wyznaczany podczas statycznej próby rozciągania i może być podawany razem z takimi właściwościami jak Rm, Re, Rp0,2 oraz A.

Co oznacza przewężenie Z?

Podczas rozciągania próbki jej długość zwiększa się, a przekrój poprzeczny ulega zmniejszeniu. Po osiągnięciu maksymalnej siły w materiałach wykazujących odpowiednią plastyczność może rozpocząć się lokalizacja odkształcenia.
Powstaje wówczas charakterystyczne przewężenie, nazywane również szyjką. W tym obszarze przekrój próbki szybko się zmniejsza i zazwyczaj właśnie tam następuje ostateczne zerwanie.
Parametr Z określa, jak duże było zmniejszenie pola przekroju w miejscu zerwania w stosunku do pierwotnego pola przekroju próbki.

Wzór na przewężenie Z

Przewężenie oblicza się ze wzoru:
Z = ((S₀ – S_u) / S₀) × 100%
gdzie:

Z – przewężenie [%],
S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki,
S_u – najmniejsze pole przekroju poprzecznego próbki po zerwaniu.

Im większa różnica pomiędzy S₀ i S_u, tym większa wartość przewężenia Z.

Przykład obliczenia przewężenia Z

Jeżeli początkowe pole przekroju próbki wynosi:
S₀ = 100 mm²
a najmniejsze pole przekroju w miejscu zerwania wynosi:
S_u = 40 mm²
to:
Z = ((100 – 40) / 100) × 100% = 60%
Przewężenie próbki wynosi więc 60%.
Oznacza to, że pole przekroju w miejscu zerwania zmniejszyło się o 60% w stosunku do początkowego pola przekroju próbki.

Jak mierzy się przewężenie Z?

Przed rozpoczęciem próby określa się początkowe wymiary przekroju próbki, na podstawie których wyznaczane jest S₀.
Po zerwaniu próbki określa się jej najmniejszy przekrój w obszarze zerwania i wyznacza S_u.
Sposób określenia pola przekroju zależy od geometrii próbki. Dla próbki okrągłej wykorzystuje się jej średnicę, natomiast dla próbek o innych kształtach należy określić odpowiednie wymiary przekroju zgodnie z metodą badania.

Przewężenie Z dla próbki okrągłej

Dla próbki o przekroju kołowym początkowe pole przekroju wynosi:
S₀ = πd₀² / 4
a pole przekroju po zerwaniu:
S_u = πd_u² / 4
gdzie:

d₀ – początkowa średnica próbki,
d_u – najmniejsza średnica próbki w miejscu zerwania.

Po podstawieniu do wzoru na Z można określić procentowe zmniejszenie przekroju.

Co mówi wartość przewężenia Z?

Przewężenie jest jednym ze wskaźników pozwalających oceniać zdolność materiału do lokalnego odkształcenia plastycznego przed zerwaniem.
Duża wartość Z oznacza, że przed zniszczeniem materiał był zdolny do znacznego lokalnego zmniejszenia przekroju.
Mała wartość Z oznacza niewielką zmianę pola przekroju w miejscu zerwania.
Nie istnieje jednak jedna uniwersalna wartość Z pozwalająca zaklasyfikować wszystkie materiały jako plastyczne lub kruche. Wynik należy interpretować w odniesieniu do rodzaju materiału, jego stanu, geometrii próbki i warunków badania.

Przewężenie Z a wydłużenie A

Z i A są różnymi parametrami, chociaż oba dostarczają informacji o odkształceniu plastycznym próbki podczas próby rozciągania.

Parametr	Co określa	Jednostka
A	Procentowy trwały przyrost długości pomiarowej próbki po zerwaniu	%
Z	Procentowe zmniejszenie pola przekroju poprzecznego w miejscu zerwania	%

Wydłużenie A opisuje zmianę długości próbki, natomiast przewężenie Z opisuje zmianę jej przekroju.
Parametry te wzajemnie się uzupełniają, ale nie można ich bezpośrednio przeliczać jeden na drugi za pomocą jednego uniwersalnego wzoru.

Przewężenie Z a wytrzymałość na rozciąganie Rm

Rm określa największe naprężenie inżynierskie osiągnięte podczas próby rozciągania, natomiast Z określa zmianę pola przekroju próbki po zerwaniu.
W materiałach ciągliwych po osiągnięciu maksymalnej siły Fm odpowiadającej Rm może rozpocząć się lokalizacja odkształcenia i tworzenie szyjki.
Od tego momentu siła rejestrowana podczas próby może maleć, mimo że lokalne odkształcenie w przewężeniu nadal intensywnie wzrasta.
Dlatego Rm i Z opisują zupełnie inne aspekty zachowania materiału.

Dlaczego przewężenie powstaje po osiągnięciu Rm?

Podczas równomiernego odkształcenia plastycznego materiał może zwiększać swoją wytrzymałość wskutek umocnienia odkształceniowego.
W pewnym momencie zmniejszanie przekroju próbki nie jest już kompensowane w sposób pozwalający na dalszy równomierny wzrost przenoszonej siły. Odkształcenie zaczyna lokalizować się w określonym obszarze próbki.
Powstaje szyjka, czyli lokalne przewężenie.
W tym obszarze przekrój zmniejsza się coraz szybciej aż do powstania pęknięcia i zerwania próbki.

Z a naprężenie rzeczywiste

Powstawanie przewężenia ma istotne znaczenie dla rozróżnienia naprężenia inżynierskiego i naprężenia rzeczywistego.
Naprężenie inżynierskie obliczane jest na podstawie początkowego pola przekroju S₀. Po utworzeniu szyjki rzeczywisty przekrój próbki jest jednak znacznie mniejszy.
Dlatego po osiągnięciu Rm naprężenie inżynierskie może maleć, podczas gdy lokalne naprężenie rzeczywiste w obszarze przewężenia może nadal wzrastać.
Pomiar Z pozwala określić skalę końcowego zmniejszenia przekroju próbki.

Przewężenie a plastyczność i ciągliwość

Duże przewężenie jest charakterystyczne dla wielu materiałów zdolnych do znacznego odkształcenia plastycznego przed zerwaniem.
Próbka materiału ciągliwego może przed zniszczeniem utworzyć wyraźną szyjkę i wykazywać znaczną wartość Z.
W przypadku zachowania bardziej kruchego zmniejszenie przekroju przed zerwaniem może być niewielkie.
Nie oznacza to jednak, że Z jest samodzielnym i uniwersalnym kryterium kruchości. Ocena zachowania materiału powinna uwzględniać również charakter przełomu, wydłużenie A, temperaturę, szybkość obciążenia, stan naprężenia oraz inne właściwości mechaniczne.

Przewężenie a charakter przełomu

Wygląd zerwanej próbki może dostarczać dodatkowych informacji o mechanizmie zniszczenia.
Znaczne odkształcenie plastyczne i duże przewężenie są często związane z ciągliwym mechanizmem pękania.
W próbkach okrągłych po statycznej próbie rozciągania może powstawać charakterystyczny przełom typu cup-and-cone, związany z rozwojem i łączeniem mikropustek oraz końcowym ścinaniem materiału.
Przełom materiału należy jednak analizować niezależnie od samej wartości Z, ponieważ na jego wygląd wpływa wiele czynników.

Od czego zależy przewężenie Z?

Na wartość przewężenia mogą wpływać między innymi:

skład chemiczny materiału,
mikrostruktura,
obróbka cieplna,
stopień umocnienia odkształceniowego,
temperatura badania,
prędkość odkształcenia,
geometria próbki,
stan naprężenia w obszarze przewężenia,
wady i nieciągłości materiałowe,
kierunek pobrania próbki.

Dlatego wartości Z należy porównywać przy uwzględnieniu warunków badania oraz stanu materiału.

Wpływ obróbki plastycznej na Z

Obróbka plastyczna na zimno prowadzi do umocnienia odkształceniowego. Zwiększeniu mogą ulegać Rm oraz Re lub Rp0,2, natomiast zdolność materiału do dalszego odkształcenia plastycznego może się zmniejszać.
W konsekwencji silne umocnienie na zimno może prowadzić do zmniejszenia przewężenia Z oraz wydłużenia A.
Rzeczywisty efekt zależy jednak od materiału, jego mikrostruktury i stopnia odkształcenia.

Wpływ obróbki cieplnej na Z

Obróbka cieplna zmienia mikrostrukturę materiału, a tym samym może wpływać na jego zdolność do lokalnego odkształcenia przed zerwaniem.
Procesy zwiększające wytrzymałość i twardość mogą w określonych materiałach prowadzić do zmniejszenia plastyczności, natomiast odpowiednie wyżarzanie może zwiększać zdolność materiału do odkształcenia.
Z tego względu wartość Z powinna być odnoszona do konkretnego stanu dostawy i obróbki cieplnej.

Wpływ temperatury na przewężenie

Temperatura badania może istotnie wpływać na mechanizm odkształcenia i zniszczenia materiału.
W niektórych materiałach obniżenie temperatury prowadzi do ograniczenia zdolności do odkształcenia plastycznego, natomiast podwyższenie temperatury może powodować wzrost plastyczności.
Nie jest to jednak uniwersalna zależność dla wszystkich metali i stopów. Właściwości należy oceniać na podstawie danych uzyskanych dla odpowiedniego materiału i temperatury pracy.

Przewężenie Z w świadectwie odbioru materiału

Przewężenie może być podawane w świadectwie odbioru materiału razem z innymi wynikami statycznej próby rozciągania.
W dokumentacji można spotkać między innymi:

Re lub Rp0,2,
Rm,
A,
Z.

Nie każda norma materiałowa wymaga jednak podawania Z. Zakres badań i wymaganych właściwości zależy od gatunku materiału, rodzaju produktu, wymiaru, stanu dostawy oraz odpowiedniej specyfikacji.

Przewężenie Z a jakość materiału

Nie należy przyjmować, że materiał o większym Z jest automatycznie materiałem lepszym.
Wysoka wartość przewężenia wskazuje na dużą zdolność do lokalnego odkształcenia plastycznego przed zerwaniem, ale nie określa bezpośrednio:

Z powinno być analizowane razem z pozostałymi właściwościami wymaganymi dla konkretnego zastosowania.

Przewężenie Z – najważniejsze informacje

Z oznacza przewężenie próbki po zerwaniu.
Przewężenie podawane jest w %.
Z określa procentowe zmniejszenie pola przekroju próbki w miejscu zerwania.
Wzór ma postać Z = ((S₀ – S_u) / S₀) × 100%.
S₀ oznacza początkowe pole przekroju próbki.
S_u oznacza najmniejsze pole przekroju po zerwaniu.
Z jest jednym z parametrów opisujących zdolność materiału do odkształcenia plastycznego.
Z nie jest tym samym co wydłużenie A.
A opisuje zmianę długości, natomiast Z zmianę pola przekroju próbki.
Znaczne przewężenie jest charakterystyczne dla wielu materiałów wykazujących ciągliwe zachowanie podczas statycznej próby rozciągania.
Na Z wpływają między innymi mikrostruktura, obróbka cieplna, umocnienie odkształceniowe, temperatura i geometria próbki.
Wartość Z należy interpretować razem z Rm, Re lub Rp0,2, A oraz innymi właściwościami mechanicznymi materiału.