ISO 15653:2010
(Main)Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
ISO 15653:2010 specifies methods for determining fracture toughness in terms of K (stress intensity factor), δ (crack tip opening displacement, CTOD) and J (experimental equivalent of the J‑integral) for welds in metallic materials. ISO 15653 is complementary to ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness testing of parent metal and which needs to be used in conjunction with this document. It describes methods for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a way of obtaining a valid R‑curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation methods described in ISO 15653 could be usefully employed when determining R‑curves for welds. The methods use fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific target area in the weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within the target area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then, where appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique à la rupture des soudures
L'ISO 15653:2009 spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en termes de K (facteur d'intensité de contrainte), d (écartement à fond de fissure, CTOD) et J (équivalent expérimental de l'intégrale J) pour les soudures dans les matériaux métalliques. L'ISO 15653:2009 complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à la rupture du métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. Elle décrit des méthodes de détermination des valeurs en point de la ténacité à la rupture. Elle ne doit pas être considérée comme une façon permettant d'obtenir une courbe R valide (courbe de résistance à la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites dans l'ISO 15653:2009 peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes R pour les soudures. Les méthodes utilisent des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été entaillées, après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites pour évaluer l'adaptabilité d'une soudure au placement des entailles dans la surface cible qui se trouve soit dans la zone fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas de besoin, pour évaluer l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de l'échantillonnage de ces surfaces.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15653
First edition
2010-04-15
Metallic materials — Method of test for
the determination of quasistatic fracture
toughness of welds
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la
ténacité quasi statique à la rupture des soudures
Reference number
ISO 15653:2010(E)
©
ISO 2010
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ISO 15653:2010(E)
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Published in Switzerland
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ISO 15653:2010(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and units.3
5 Principle.3
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location .4
6.1 Classification of target area for notching .4
6.2 Specimen design .4
6.3 Specimen and crack plane orientation.4
7 Pre-machining metallography.8
7.1 Microstructural assessment of macrosections.8
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests .9
8 Machining.9
8.1 Tolerances on specimen dimensions .9
8.2 Notch placement for through-thickness notched specimens .10
8.3 Notch placement for surface-notched specimens.10
8.4 Notch machining .10
9 Specimen preparation.15
9.1 Fatigue precracking .15
9.2 Side grooving.15
10 Test apparatus, requirements and test procedure .15
11 Post-test metallography.15
11.1 General .15
11.2 Through-thickness notched specimens .16
11.3 Surface-notched specimens.16
11.4 Assessment of pop-in.16
12 Post-test analysis .19
12.1 Choice of tensile properties .19
12.2 K .20
Ic
12.3 δ and J.20
12.4 Qualification requirements.20
13 Test report.24
Annex A (informative) Examples of notch locations.25
Annex B (informative) Examples of pre-test and post-test metallography.27
Annex C (normative) Residual-stress modification and precracking technique .29
Annex D (normative) Assessment of pop-in.31
Annex E (informative) Shallow-notched specimen testing.37
Bibliography.41
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ISO 15653:2010(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 15653 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee
SC 4, Toughness testing — Fracture (F), Pendulum (P), Tear (T).
iv © ISO 2010 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15653:2010(E)
Metallic materials — Method of test for the determination of
quasistatic fracture toughness of welds
1 Scope
This International Standard specifies methods for determining fracture toughness in terms of K (stress
intensity factor), δ (crack tip opening displacement, CTOD) and J (experimental equivalent of the J-integral) for
welds in metallic materials.
This International Standard is complementary to ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness
testing of parent metal and which needs to be used in conjunction with this document. This International
Standard describes methods for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a
way of obtaining a valid R-curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation
methods described in this International Standard could be usefully employed when determining R-curves for
welds. The methods use fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific
target area in the weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within
the target area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then,
where appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 3785, Metallic materials — Designation of test specimen axes in relation to product texture
ISO 12135, Metallic materials — Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 12135 and the following apply.
3.1
stretch zone width
SZW
increase in crack length associated with crack tip blunting — i.e. prior to the onset of unstable crack extension,
pop-in (see 3.3) or slow stable crack extension — and occurring in the same plane as the fatigue precrack
3.2
target area
intended fatigue crack tip position within the weld metal or HAZ
NOTE See 3.7 and 3.9.
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ISO 15653:2010(E)
3.3
pop-in
an abrupt discontinuity in the force versus displacement record, featured as a sudden increase in
displacement and, generally, a sudden decrease in force, subsequent to which displacement and force
increase to above their values at pop-in
3.4
local compression
controlled compression applied to specimens in the thickness direction on the unnotched ligament prior to
fatigue cracking using hardened steel platens
NOTE See Annex C.
3.5
welding
an operation in which two or more parts are united by means of heat, friction, pressure or all three of these, in
such a way that there is continuity in the nature of the metal between these parts
NOTE Filler metal, the melting temperature of which is of the same order as that of the parent metal, may or may not
be used.
3.6
weld
union of pieces of metal made by welding
3.7
weld metal
all metal melted during the making of a weld and retained in the weld
3.8
parent metal
base metal
metal to be joined by welding
3.9
heat-affected zone
HAZ
zone in the parent metal that is metallurgically affected by the heat of welding
3.10
fusion line
FL
junction between the weld metal and the parent metal heat-affected zone
3.11
weld positional
WP
target position for the fatigue crack tip, defined with respect to a reference line
NOTE See Figure A.1 for examples.
3.12
specific microstructure
SM
target microstructure for the fatigue crack tip
NOTE See Figure A.2 for examples.
2 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 15653:2010(E)
3.13
specimen blank
specimen prepared from weld metal plus parent metal prior to notching
3.14
postweld heat treatment
heat treatment applied after welding for the purpose of reducing residual stresses or modifying weld properties
4 Symbols and units
For the purposes of this document, the symbols and units given in Table 1 apply in addition to those in
ISO 12135.
Table 1 — Symbols and units
Symbol Unit Designation
d , d mm Lengths of microstructural features associated with pop-in.
1 2
h mm Effective weld width, defined as shortest distance between fatigue crack tip and weld fusion
line within the central 75 % of the thickness (see Figures 13 and 14).
HV10 Vickers hardness using 10 kg force.
N Normal to welding direction.
P Parallel to welding direction.
Q Weld thickness direction.
R MPa 0,2 % offset yield strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
p0,2b
R MPa 0,2 % offset yield strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
p0,2w
R MPa Tensile strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
mb
R MPa Tensile strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
mw
s mm Distance between crack tip and target area measured in the crack plane (see Figure 12).
1
s mm Distance between crack tip and target area measured perpendicular to the crack plane (see
2
Figure 12).
V, V , V mm Crack mouth opening displacement.
1 2
X Direction parallel to primary grain flow of parent metal.
Y Direction transverse to primary grain flow and to thickness of parent metal.
Z Direction through thickness of parent metal.
∆a mm Maximum length of brittle crack extension (beyond SZW) (see 3.1) associated with pop-in.
pop
λ mm Length of specific microstructure measured in pre-test or post-test metallography (see
Figure B.2).
5 Principle
This International Standard specifies procedures for the determination of fracture toughness on notched-plus-
fatigue-cracked specimens taken from welds. It pertains to situations where the crack tip is
a) located in relation to a weld feature of interest, referred to as “weld positional” (WP);
b) specifically located within a microstructure of interest, referred to as “specific microstructure” (SM).
Metallographic examination of the weld is used to confirm that the target weld feature and/or microstructure is
indeed present at the crack tip and in sufficient quantity for testing.
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ISO 15653:2010(E)
Specimen geometry and notch orientation are chosen, and a fatigue crack then extended from the specimen's
notch tip into the target weld feature or microstructure by applying a controlled alternating force to the
specimen. The purpose of the test is to determine weld fracture toughness in the absence of significant
welding stresses. To achieve this and to produce a straight-fronted fatigue crack, modifications to the fatigue
precracking procedure may be required. These modifications are usually necessary when testing as-welded or
partially stress-relieved welds.
The fracture toughness test is performed and evaluated in accordance with ISO 12135, but subject to
additional requirements of this test method regarding post-test analysis (see 12.1, 12.2 and 12.3) and
qualification (see 12.4).
Post-test metallography is often required to make certain that the crack tip was located in the target weld
feature and/or microstructure and to determine the significance of pop-ins.
The sequence of operations is summarized in Figure 1.
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location
6.1 Classification of target area for notching
A specimen selected for weld positional (WP) testing is intended to test a defined weld region with respect to a
reference position (e.g. the weld metal centreline).
A specimen selected for specific microstructure (SM) testing is intended to sample a specific microstructure
along the whole or part of the crack front length within the central 75 % of the specimen thickness.
NOTE Some examples of WP and SM notch locations are given in Annex A.
WP weld metal centreline notch locations sampling predominantly grain-refined regions may give misleading
(overly high) values of fracture toughness for misaligned two-pass and parallel multi-pass welds. For these
welds, it is recommended that the SM notch locations shown in Figures A.2 iv) and A.2 v), respectively, be
used.
6.2 Specimen design
Specimen design shall be of compact or single-edge-notched bend configuration as defined in ISO 12135 and
may be plain-sided or side-grooved. Bend specimens notched into the plate thickness (see Figures 2, 3 and 4,
parent metal specimens XY and YX and weld metal specimens NP and PN) are referred to as through-
thickness notched specimens, whilst those notched into the planar surface of the plate (see Figures 2, 3 and 4,
parent metal specimens XZ and YZ and weld metal specimens NQ and PQ) are referred to as surface-
notched specimens.
NOTE Tolerances on weld specimen dimensions are less stringent than those for testing parent metal (see 8.1).
Test specimens shall have the dimension B or W (see Figure 5) equal to the full thickness of the parent metal
adjacent to the weld to be tested (excluding weld overfill).
Testing of sub-sized (i.e. B or W < full thickness in directions Q for weld and Z for parent metal in Figures 2, 3
and 4) and/or side-grooved specimens is permitted, but shall be properly identified as such in the test report.
Results from sub-sized and/or side-grooved specimens may differ from those from full-thickness specimens
owing to size effects and/or different microstructural regions being tested.
6.3 Specimen and crack plane orientation
Specimen and crack plane orientation relative to the weld and parent metal working directions shall be defined
using the identification system described in Figures 2, 3 and 4.
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ISO 15653:2010(E)
Figure 1 — Flow chart for testing
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ISO 15653:2010(E)
a) Parent metal
b) Weld metal
Key
1 rolling direction
N = normal to weld direction
P = parallel to weld direction
Q = weld thickness direction
First letter in designation: the direction normal to the crack plane.
Second letter in designation: the expected direction of crack propagation.
See ISO 3785 for the definitions of X, Y and Z.
Specimen orientations NP and PN shall be referred to as through-thickness notched, whilst specimen
orientations NQ and PQ shall be referred to as surface-notched.
Figure 2 — Crack plane orientation code for fracture toughness
specimens of parent metal and weld metal
6 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 15653:2010(E)
a) Typical butt weld
b) Cruciform joint
Key
1 HAZ
2 weld
3 weld specimen orientation NP/XY
4 weld specimen orientation NP/YX
5 through-crack NP/ZX or NP/ZY
X = rolling direction
Q = weld thickness direction
For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack extension,
the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the parent metal
rolling direction as shown in this figure and Figure 4.
Figure 3 — Crack plane orientation code for fracture toughness specimens
for testing the HAZ of a typical butt weld and cruciform joint
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ISO 15653:2010(E)
a) Typical butt weld
b) Angled cruciform joint
Key
1 rolling direction
For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack extension,
the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the parent metal
rolling direction as shown in this figure and Figure 3.
Figure 4 — Crack plane orientation code for fracture toughness specimens for testing the HAZ at an
angle, α, to the parent metal rolling direction for a typical butt weld and angled cruciform joint
7 Pre-machining metallography
7.1 Microstructural assessment of macrosections
When the notch target area is defined as SM, either separate macrosections or the ends of the welds shall be
prepared with the plane of the section perpendicular to the welding direction. These transverse weld sections
shall bound the length of weld to be tested to ensure that the target microstructure is present at the expected
crack tip position and in sufficient quantity for testing. The macrosections shall be polished, etched and
examined at a magnification suitable to identify the target area prior to specimen manufacture. Where
separate macrosections are prepared, their positions along the weld shall be recorded.
Examination of the macrosections shall be used to establish that
a) in a through-thickness notched specimen, the intended crack tip is likely to reside in the target area within
the central 75 % of the thickness;
b) in a surface-notched specimen, the intended crack tip is no more than 0,5 mm from the target area.
8 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 15653:2010(E)
If the desired microstructure is not present, there is insufficient quantity to test, or the crack tip position
tolerances cannot be achieved, the weld shall be rejected as unsuitable for testing to the SM criteria. In this
case, a new target area may be selected or a new weld prepared. If the bend specimen is to be employed and
the specific microstructure is available in sufficient quantity to test, but the crack tip position tolerances cannot
be achieved, the shallow-notched specimen testing procedures described in Annex E may be used by
agreement between the parties involved.
Owing to the lower crack tip constraint associated with a shallow notch, the fracture toughness value
determined from a shallow-notched specimen (0,10 u a /W u 0,45) (a = initial crack length, W = specimen
o o
thickness) may be higher than that obtained from a standard notched specimen (0,45 u a /W u 0,70) for the
o
same crack tip microstructure. The significance of this potential difference shall be considered when a
shallow-notched specimen is to be used.
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests
When the target area is SM in the HAZ, microstructural examinations additional to those in 7.1 shall be
conducted on the polished and etched macrosection to determine whether or not the target microstructure is
within the central 75 % of the thickness and in sufficient quantity for a successful test.
The measured positions and lengths of the target microstructure may optionally be presented in map form (an
example is shown in Annex B). If such a map is drawn, it shall include the full macrosection thickness,
showing the positions of the target microstructure. The percentage of target microstructure shall be calculated
over the central 75 % of the specimen thickness.
Where surface-notched specimens are selected, the macrosection shall be used to confirm that the target
microstructure is present within the range 0,45 u a /W u 0,70.
o
If it is considered unlikely that the fatigue crack tip is placed in accordance with the SM acceptance criteria,
then consideration shall be given to revising the target area, preparing a new weld or using a shallow-notched
specimen as described in 7.1.
8 Machining
8.1 Tolerances on specimen dimensions
Specimen blanks shall be machined from the product so that the target area identified for testing can be
successfully notched. Blanks shall be machined to the dimensional tolerances defined here prior to notching.
Compact specimens shall meet the dimensional requirements of ISO 12135. Standard bend specimens shall
conform to Figure 5. Shallow-notched bend specimens (see 7.1, 7.2 and Annex E) shall likewise conform to
Figure 5 except that the relative crack length shall be in the range 0,10 u a /W u 0,45.
o
NOTE 1 The dimensional tolerances in Figure 5 for the standard single-edge-notched bend specimen are intentionally
less stringent than those of ISO 12135 in order to minimize alteration of the original weld product.
Weld misalignment, weld distortion and specimen blank curvature (for blanks removed from pipe sections)
shall conform to the requirements of Figure 6. The straightness requirement of 2,5 % of W on specimen blank
sides applies to pipe curvatures (expressed as the ratio of pipe radius to weld thickness) W 10. Welded joints
not meeting the specified straightness/misalignment requirements shall be straightened by local bending prior
to notching. The points of straightening-force application shall be located at a minimum distance B from the
region to be notched. It is essential that the region to be notched is not deformed by straightening operations.
A method for straightening specimen blanks from distorted or curved sections is illustrated in Figure 7.
When it is not possible to straighten a specimen blank taken from pipe, a rectangular block of test material
may be cut from the pipe and joined by welding to suitable extension pieces. The total length of the test block
and extension pieces shall give a specimen of sufficient length to satisfy the curvature requirements of
Figure 6. The weld joints shall be sufficiently distant so as not to affect the target microstructure.
© ISO 2010 – All rights reserved 9
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NOTE 2 Laser and electron beam welding processes have proved useful in producing narrow joints of low distortion
between the test block and the extension pieces.
When a full section thickness specimen is intended, machining shall be kept to a minimum in order to meet
the tolerance requirements and the requirements for local compression (see Clause C.2).
Weld overfill shall be machined level with the original product surface.
When the metal thicknesses on each side of the weld differ by 10 % or more, the blank shall be machined
down to the thickness of the thinner side. In such cases, the original and final specimen blank dimensions
shall be reported.
8.2 Notch placement for through-thickness notched specimens
The procedure for through-thickness notch placement for the NP crack plane orientation is illustrated in
Figure 8. Both the surface to be notched (side A) and the opposite surface (side B) are ground and etched to
reveal the weld and HAZ. A reference line is scribed on each prepared surface A and B normal to the
specimen axis ± 5° and along the targeted microstructure. These scribed lines are carried over onto the
surfaces normal to the prepared surfaces. A new line is then constructed equidistant between the carried-over
lines. This line is used to delineate the intended plane of the notch to be machined into surface A.
NOTE This procedure is designed to ensure that the final crack tip is in the targeted microstructure (especially if it is
the HAZ) when the specimen axis in not perpendicular to the weld direction and a /W = 0,5. If a /W ≠ 0,5, the line
o o
constructed to delineate the intended plane of the machined notch is adjusted laterally to ensure that the final crack tip is
in the targeted microstructure.
8.3 Notch placement for surface-notched specimens
The procedure for surface-notch placement for the NP crack plane orientation is illustrated in Figure 9. The
side surfaces (those at right angles to the surface to be notched) are ground and etched to reveal the weld
metal and HAZ. Reference lines are scribed upwards from the selected target-microstructure area to the
surface to be notched. Perpendiculars emanating from the scribe lines (normal to the specimen axis ± 5°) are
marked (again by scribing) on the surface to be notched. A new line is constructed equidistant between the
two lines. This line is used to delineate the intended plane of the machined notch.
NOTE This procedure is designed to ensure that the final crack tip, at the specimen mid-thickness, is in the targeted
microstructure when the specimen axis is not perpendicular to the weld direction.
8.4 Notch machining
Notch machining shall follow the guidelines of ISO 12135.
10 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 15653:2010(E)
1 rectangular-section s
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15653
Première édition
2010-04-15
Matériaux métalliques — Méthode d'essai
pour la détermination de la ténacité quasi
statique à la rupture des soudures
Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic
fracture toughness of welds
Numéro de référence
ISO 15653:2010(F)
©
ISO 2010
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ISO 15653:2010(F)
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ii © ISO 2010 – Tous droits réservés
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ISO 15653:2010(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Symboles et unités.3
5 Principe.4
6 Choix du type d'éprouvette, de l'orientation de l'éprouvette et de l'emplacement d'entaille.4
6.1 Classification de la surface cible pour l'entaillage .4
6.2 Type d'éprouvette.5
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure.5
7 Métallographie avant usinage .9
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques.9
7.2 Exigences supplémentaires concernant les essais de la zone affectée thermiquement .10
8 Usinage.10
8.1 Tolérances relatives aux dimensions de l'éprouvette.10
8.2 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées dans l'épaisseur .11
8.3 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées en surface .11
8.4 Usinage de l'entaille .12
9 Préparation de l'éprouvette .16
9.1 Préfissuration par fatigue.16
9.2 Rainurage latéral .16
10 Appareillage d'essai, exigences et mode opératoire d'essai.16
11 Examen métallographique après essai.17
11.1 Généralités .17
11.2 Éprouvettes entaillées dans l'épaisseur .17
11.3 Éprouvettes entaillées en surface .17
11.4 Évaluation de l'à-coup (pop-in).18
12 Analyse après essai .20
12.1 Choix des propriétés de traction .20
12.2 K .21
Ic
12.3 δ et J .21
12.4 Exigences de qualification .21
13 Rapport d'essai.25
Annexe A (informative) Exemples d'emplacements de l'entaille .26
Annexe B (informative) Exemples d'examens métallographiques avant essai et après essai.28
Annexe C (normative) Modification des contraintes résiduelles et technique de préfissuration.30
Annexe D (normative) Évaluation de l'à-coup (pop-in).32
Annexe E (informative) Essais sur éprouvette entaillée peu profondément .38
Bibliographie.42
© ISO 2010 – Tous droits réservés iii
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ISO 15653:2010(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 15653 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,
sous-comité SC 4, Essais de ténacité — Fracture (F), Pendulum (P), Déchirage (T).
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NORME INTERNATIONALE ISO 15653:2010(F)
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination
de la ténacité quasi statique à la rupture des soudures
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en
termes de K (facteur d'intensité de contrainte), δ (écartement à fond de fissure, CTOD) et J (équivalent
expérimental de l'intégrale J) pour les soudures dans les matériaux métalliques.
La présente Norme internationale complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à
la rupture du métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. La présente
Norme internationale décrit des méthodes de détermination des valeurs en point de la ténacité à la rupture.
Elle ne doit pas être considérée comme une façon permettant d'obtenir une courbe R valide (courbe de
résistance à la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites
dans la présente Norme internationale peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes
R pour les soudures. Les méthodes utilisent des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été entaillées,
après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites pour évaluer
l'adaptabilité d'une soudure au placement des entailles dans la surface cible qui se trouve soit dans la zone
fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas de besoin, pour évaluer
l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de l'échantillonnage de ces surfaces.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 3785, Matériaux métalliques — Désignation des axes des éprouvettes en relation avec la texture du
produit
ISO 12135, Matériaux métalliques — Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi
statique
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 12135 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
largeur de la zone d'émoussement
LZE
augmentation de la longueur de fissure associée à l'émoussement à l'extrémité de la fissure — c'est-à-dire
avant le début de la propagation instable de la fissure, de l'à-coup (voir 3.3) ou de la propagation lente de la
fissure — et survenant dans le même plan que la préfissure de fatigue
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ISO 15653:2010(F)
3.2
surface cible
position prévue de l'extrémité de la fissure de fatigue dans la zone fondue ou la ZAT
NOTE Voir 3.7 et 3.9.
3.3
à-coup
pop-in
discontinuité brutale dans l'enregistrement de la force en fonction du déplacement, caractérisée par une
augmentation soudaine du déplacement accompagnée généralement par une diminution soudaine de la force,
après quoi le déplacement et la force croissent de nouveau ensemble après l'à-coup (pop-in) au-delà de leurs
valeurs atteintes par la force après l'à-coup (pop-in)
3.4
compression locale
compression contrôlée appliqué aux éprouvettes dans le sens de l'épaisseur sur le ligament non entaillé avant
la fissuration par fatigue en utilisant des plateaux en acier trempé
NOTE Voir Annexe C.
3.5
soudage
opération au cours de laquelle au moins deux pièces sont unifiées par chaleur, frottement, pression ou les
trois, de façon à ce que la nature du métal entre ces pièces soit continue
NOTE Un métal d'apport, dont la température de fusion est sensiblement égale à celle du métal de base, peut être
utilisé ou non.
3.6
soudure
union de pièces de métal par soudage
3.7
zone fondue
totalité du métal fondu pendant la fabrication d'une soudure et retenu dans la soudure
3.8
métal de base
métal à joindre par soudage
3.9
zone affectée thermiquement
ZAT
zone du métal de base métallurgiquement affectée par la chaleur de soudage
3.10
ligne de fusion
LF
jonction entre la zone fondue et la zone affectée thermiquement du métal de base
3.11
soudure
S
position cible pour l'extrémité de la fissure de fatigue définie par rapport à une ligne de référence
NOTE Voir Figure A.1 pour les exemples.
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ISO 15653:2010(F)
3.12
microstructure spécifique
MS
microstructure cible pour l'extrémité de la fissure de fatigue
NOTE Voir Figure A.2 pour les exemples.
3.13
ébauche d'éprouvette
éprouvette préparée à partir de zone fondue et de métal de base avant entaillage
3.14
traitement thermique après soudage
traitement thermique appliqué après soudage afin de réduire les contraintes résiduelles ou de modifier les
propriétés de la soudure
4 Symboles et unités
Pour les besoins du présent document, les symboles et unités donnés dans l'ISO 12135 ainsi que ceux
donnés dans le Tableau 1 s'appliquent.
Tableau 1 — Symboles et unités
Symbole Unité Désignation
d ,d mm Longueurs des caractéristiques microstructurales associées à l'à-coup (pop-in)
1 2
h mm Largeur de soudure efficace, définie comme étant la distance la plus courte entre l'extrémité
de la fissure de fatigue et la ligne de fusion de la soudure dans les 75 % centraux de
l'épaisseur (voir Figures 13 et 14)
HV10 Dureté Vickers utilisant une force de 10 kg
N Dans le plan normal à la direction de soudage
P Dans le plan parallèle à la direction de soudage
Q Direction suivant l'épaisseur de la soudure
R MPa Limite conventionnelle d'élasticité à 0,2 % du métal de base à la température de l'essai de
p0,2b
rupture
R MPa Limite conventionnelle d'élasticité à 0,2 % du métal soudé à la température de l'essai de
p0,2w
rupture
R MPa Résistance à la traction du métal de base à la température de l'essai de rupture
mb
R MPa Résistance à la traction de la zone fondue à la température de l'essai de rupture
mw
mm Distance entre l'extrémité de la fissure et la surface cible mesurée dans le plan de fissure
s
1
(voir Figure 12)
mm Distance entre l'extrémité de la fissure et la surface cible mesurée perpendiculairement au
s
2
plan de fissure (voir Figure 12)
V, V , V mm Écartement à fond de fissure
1 2
X Direction parallèle au fibrage principal du métal de base
Y Direction transversale au fibrage principal et à l'épaisseur du métal de base
Z Direction suivant l'épaisseur du métal de base
mm Longueur maximale de la propagation de fissure fragile (au-delà de la LZE, voir 3.1) associée
∆a
pop
à l'à-coup
mm Longueur de la microstructure spécifique mesurée lors de la métallographie avant essai ou
λ
après essai (voir Figure B.2)
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ISO 15653:2010(F)
5 Principe
La présente Norme internationale spécifie des modes opératoires permettant de déterminer la ténacité à la
rupture sur des éprouvettes entaillées et préfissurées par fatigue prélevées sur des soudures. Elle s'applique
dans les cas où l'extrémité de la fissure est
a) située par rapport à une caractéristique de soudure d'intérêt, appelée «soudure» (S);
b) spécifiquement située dans une microstructure d'intérêt, appelée «microstructure spécifique» (MS).
L'examen métallographique de la soudure est utilisé pour confirmer que la caractéristique de soudure cible
et/ou la microstructure est bien présente au niveau de l'extrémité de la fissure et en quantité suffisante pour
l'essai.
La géométrie et l'orientation de l'entaille de l'éprouvette sont choisies et une fissure de fatigue est ensuite
propagée depuis l'extrémité de l'entaille de l'éprouvette dans la caractéristique de soudure cible ou la
microstructure en appliquant une force alternative contrôlée sur l'éprouvette. L'objectif de l'essai est de
déterminer la ténacité à la rupture de la soudure en l'absence de contraintes de soudage significatives. Pour
réaliser cela et pour produire une fissure de fatigue à front droit, des modifications peuvent être apportées à la
méthode de préfissuration par fatigue. Ces modifications sont généralement nécessaires lorsque des
soudures brutes de soudage ou dont les contraintes résiduelles sont partiellement relaxées sont testées.
L'essai de ténacité à la rupture est réalisé et évalué conformément à l'ISO 12135, mais est soumis aux
exigences supplémentaires de la présente méthode d'essai concernant l'analyse (voir 12.1, 12.2 et 12.3) et la
qualification (voir 12.4) après essai.
Un examen métallographique après essai est souvent nécessaire pour vérifier que l'extrémité de la fissure se
situait dans la zone et/ou la microstructure cible de la soudure et pour déterminer l'importance des à-coups
(pop-ins).
L'ordre des opérations est résumé à la Figure 1.
6 Choix du type d'éprouvette, de l'orientation de l'éprouvette et de l'emplacement
d'entaille
6.1 Classification de la surface cible pour l'entaillage
Une éprouvette sélectionnée pour l'essai de la soudure (S) est destinée à tester une région de soudure
définie par rapport à une position de référence (par exemple l'axe de la zone fondue).
Une éprouvette sélectionnée pour l'essai de la microstructure spécifique (MS) est destinée à échantillonner
une microstructure spécifique sur tout ou partie de la longueur du front de fissure dans les 75 % centraux de
l'épaisseur de l'éprouvette.
NOTE Des exemples d'emplacements d'entaille S et MS sont donnés à l'Annexe A.
Les emplacements d'entaille sur l'axe de la zone fondue S, échantillonnant en majorité les régions affinées,
peuvent donner des valeurs erronées (trop élevées) de ténacité à la rupture pour les soudures en deux
passes désalignées et multi-passes parallèles. Pour ces soudures, il est recommandé d'utiliser les
emplacements d'entaille SM décrits aux Figures A.2 iv) et A.2 v), respectivement.
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ISO 15653:2010(F)
6.2 Type d'éprouvette
L'éprouvette doit être une éprouvette de flexion entaillée sur une seule face ou compacte, comme défini dans
l'ISO 12135, et peut avoir des chanfreins lisses ou comporter des rainures latérales. Les éprouvettes de
flexion entaillées dans l'épaisseur de la tôle (voir Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XY et YX, et
éprouvettes de zone fondue NP et PN) sont appelées éprouvettes entaillées dans l'épaisseur, tandis que celles
entaillées dans la surface plane de la tôle (voir Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XZ et YZ, et
éprouvettes de zone fondue NQ et PQ) sont appelées éprouvettes entaillées en surface.
NOTE Les tolérances relatives aux dimensions de l'éprouvette de soudure sont moins strictes que celles relatives à
l'essai du métal de base (voir 8.1).
Les éprouvettes doivent avoir une dimension B ou W (voir Figure 5) égale à l'épaisseur totale du métal de
base adjacent à la soudure à tester (à l'exclusion du bourrelet du cordon de soudure).
L'essai d'éprouvettes sous-dimensionnées (c'est-à-dire B ou W < épaisseur totale dans les directions Q pour la
soudure et Z pour le métal de base aux Figures 2, 3 et 4) et/ou à rainures latérales est autorisé, mais doit être
clairement identifié en tant que tel dans le rapport d'essai. Les résultats des éprouvettes sous-dimensionnées
et/ou à rainures latérales peuvent être différents de ceux des éprouvettes d'épaisseur totale en raison des
effets de taille et/ou des différentes régions microstructurales testés.
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure
L'orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure par rapport aux directions de travail de la zone fondue et
du métal de base doit être définie à l'aide du système d'identification décrit aux Figures 2, 3 et 4.
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ISO 15653:2010(F)
Figure 1 — Logigramme des essais
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ISO 15653:2010(F)
a) Métal de base
b) Zone fondue
Légende
1 direction de laminage
N = dans le plan normal à la direction de soudage
P = dans le plan parallèle à la direction de soudage
Q = direction suivant l'épaisseur de la soudure
Première lettre dans la désignation: direction normale au plan de la fissure.
Deuxième lettre dans la désignation: direction prévue de la propagation de la fissure.
Voir l'ISO 3785 pour la définition de X, Y et Z.
Les orientations des éprouvettes NP et PN sont dites entaillées dans l'épaisseur, tandis que les orientations
des éprouvettes NQ et PQ sont dites entaillées en surface.
Figure 2 — Code d'orientation du plan de fissure pour les éprouvettes
de ténacité à la rupture du métal de base et de la zone fondue
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ISO 15653:2010(F)
a) Soudure bout à bout courante
b) Assemblage en croix
Légende
1 ZAT
2 soudure
3 orientation de l'éprouvette de soudure NP/XY
4 orientation de l'éprouvette de soudure NP/YX
5 fissure traversante NP/ZX ou NP/ZY
X = direction de laminage
Q = direction suivant l'épaisseur de la soudure
Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance à la
propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme indiqué dans la présente
figure et à la Figure 4.
Figure 3 — Code d'orientation du plan de fissure pour les éprouvettes de ténacité à la rupture
testant la ZAT de la soudure bout à bout courante et de l'assemblage en croix
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ISO 15653:2010(F)
a) Soudure bout à bout courante
b) Assemblage en croix coudé
Légende
1 direction de laminage
Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance à la
propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme indiqué dans la présente
figure et à la Figure 3.
Figure 4 — Code d'orientation du plan de fissure pour les éprouvettes de ténacité à la rupture testant
la ZAT à un angle α par rapport à la direction de laminage du métal de base de la soudure bout à bout
courante et de l'assemblage en croix coudé
7 Métallographie avant usinage
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques
Lorsque la surface cible de l'entaille est définie comme étant MS, soit les sections macrographiques séparées
soit les extrémités des soudures doivent être préparées de telle façon que le plan de la section soit
perpendiculaire à la direction de soudage. Ces sections de soudure transversales doivent correspondre à la
longueur de soudure à tester pour garantir la présence de la microstructure cible au niveau de la position
prévue de l'extrémité de la fissure et en quantité suffisante pour l'essai. Les sections macrographiques doivent
être polies, attaquées et examinées à un grossissement permettant d'identifier la surface cible avant de
fabriquer une éprouvette. Si des sections macrographiques séparées sont préparées, leur position sur la
soudure doit être consignée.
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ISO 15653:2010(F)
L'examen des sections macrographiques doit être utilisé pour établir que:
a) dans une éprouvette entaillée dans l'épaisseur, l'extrémité de la fissure prévue est susceptible de se
trouver dans la surface cible dans les 75 % centraux de l'épaisseur;
b) dans une éprouvette entaillée en surface, l'extrémité de la fissure prévue n'est pas éloignée de plus de
0,5 mm par rapport à la surface cible.
Si la microstructure souhaitée est absente, si la quantité à tester est insuffisante ou si les tolérances de
position de l'extrémité de la fissure ne peuvent pas être atteintes, la soudure doit être rejetée et considérée
comme inappropriée pour l'essai selon les critères MS. Dans ce cas, une nouvelle surface cible peut être
sélectionnée ou une nouvelle soudure préparée. Si l'éprouvette de flexion doit être employée et si la
microstructure spécifique est disponible en quantité suffisante pour l'essai, mais si les tolérances de position
de l'extrémité de la fissure ne peuvent pas être atteintes, les méthodes d'essai de l'éprouvette entaillée peu
profondément décrites à l'Annexe E peuvent être utilisées après accord des parties impliquées.
En raison de la contrainte inférieure de l'extrémité de la fissure associée à une entaille peu profonde, la valeur
de ténacité à la rupture déterminée à partir d'une éprouvette entaillée peu profondément (0,10 u a /W u 0,45)
o
(a = longueur initiale de la fissure, W = épaisseur de l'éprouvette) peut être supérieure à celle obtenue à
o
partir d'une éprouvette entaillée normalisée (0,45 u a /W u 0,70) pour la même microstructure à l'extrémité de
o
la fissure. L'importance de cette différence potentielle doit être prise en compte lorsqu'une éprouvette entaillée
peu profondément doit être utilisée.
7.2 Exigences supplémentaires concernant les essais de la zone affectée thermiquement
Lorsque la surface cible est une MS dans la ZAT, des examens microstructuraux en plus de ceux énoncés
en 7.1 doivent être réalisés sur la section macrographique polie et attaquée pour déterminer si la
microstructure cible est ou non dans les 75 % centraux de l'épaisseur et en quantité suffisante pour un essai
réussi.
Les positions et longueurs mesurées de la microstructure cible peuvent facultativement être présentées sous
forme de cartographie (un exemple est décrit à l'Annexe B). Si une telle cartographie est établie, elle doit
inclure l'épaisseur totale de la section macrographique tout en indiquant les positions de la microstructure
cible. Le pourcentage de microstructure cible doit être calculé par rapport aux 75 % centraux de l'épaisseur de
l'éprouvette.
Si des éprouvettes entaillées en surface sont sélectionnées, la section macrographique doit être utilisée pour
confirmer la présence de la microstructure cible dans la gamme 0,45 u a /W u 0,70.
o
S'il est considéré comme improbable que l'extrémité de la fissure de fatigue soit placée conformément aux
critères d'acceptation MS, il convient alors d'envisager une révision de la surface cible, de préparer une
nouvelle soudure ou d'utiliser une éprouvette entaillée peu profondément, comme décrit en 7.1.
8 Usinage
8.1 Tolérances relatives aux dimensions de l'éprouvette
Les ébauches d'éprouvette doivent être usinées à partir du produit de sorte que la surface cible identifiée pour
l'essai puisse être entaillée avec succès. Les ébauches doivent être usinées aux tolérances dimensionnelles
définies ici, avant entaillage.
Les éprouvettes compactes doivent répondre aux exigences dimensionnelles de l'ISO 12135. Les éprouvettes
de flexion normalisées doivent être conformes à la Figure 5. Les éprouvettes de flexion entaillées peu
profondément (voir 7.1, 7.2 et Annexe E) doivent également être conformes à la Figure 5, hormis que la
longueur de fissure relative doit être dans la gamme 0,10 u a /W u 0,45.
o
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ISO 15653:2010(F)
NOTE 1 Les tolérances dimensionnelles indiquées à la Figure 5 pour l'éprouvette normalisée de flexion entaillée sur
une seule face sont intentionnellement moins strictes que celles de l'ISO 12135 afin de minimiser l'altération du produit de
soudure initial.
Le désalignement de la soudure, la distorsion de la soudure et la courbure de l'ébauche d'éprouvette (pour les
ébauches prélevées des sections de tubes) doivent être conformes aux exigences de la Figure 6. L'exigence
de rectitude de 2,5 % de W relative aux chanfreins de l'ébauche d'éprouvette s'applique aux courbures de
tubes (exprimée sous forme de rapport du rayon du tube à l'épaisseur de soudure) supér
...
Questions, Comments and Discussion
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