ISO 23788:2012
(Main)Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing machines
Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing machines
This International Standard describes a method for verifying the alignment in a testing machine using a straingauged measuring device. It is applicable to dynamic uniaxial tension/compression, pure torsion and combined tension/compression plus torsion fatigue testing machines for metallic materials. The methodology outlined in this International Standard is generic and can be applied to static testing machines and in non-metallic materials testing.
Matériaux métalliques — Vérification de l'alignement axial des machines d'essai de fatigue
La présente Norme internationale décrit une méthode de vérification de l'alignement d’une machine d'essai à l'aide d'un dispositif de mesure à jauge de déformation. Elle s'applique aux machines d'essais dynamiques de traction/compression uniaxiale, aux machines d’essai de fatigue pour les matériaux métalliques de torsion pure et de traction/compression plus torsion combinée . La méthodologie décrite dans la présente Norme internationale est générique et peut être appliquée aux machines d'essais statiques et aux essais de matériaux non métalliques.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 23788
First edition
2012-07-01
Metallic materials — Verification of the
alignment of fatigue testing machines
Matériaux métalliques — Vérification de l’alignement axial des
machines d’essai de fatigue
Reference number
ISO 23788:2012(E)
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ISO 23788:2012(E)
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ISO 23788:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 3
5 Measurement requirements . 4
5.1 Testing machine . 4
5.2 Alignment cell . 4
5.3 Design and manufacturing . 4
5.4 Machining . 6
5.5 Inspection before attaching the strain gauges . 6
5.6 Instrumentation with strain gauges . 6
5.7 System checks . 7
6 Alignment measurement calculations . 7
6.1 General . 7
6.2 Cylindrical alignment cell . 7
6.3 Thick rectangular alignment cell . 9
6.4 Thin rectangular alignment cell . 9
6.5 Classification of machine alignment . 9
7 Procedure for verification of machine alignment .10
7.1 Purpose and frequency .10
7.2 Procedure .10
8 Reporting . 11
8.1 Basic information . 11
8.2 Special information .12
Annex A (informative) Causes of specimen bending and misalignment in fatigue testing machines .17
Annex B (normative) Evaluating uncertainty in the alignment measurement .19
Annex C (informative) Method for measuring machine lateral stiffness .22
Annex D (informative) Three-strain gauge configuration .24
Annex E (informative) Determination of bending contribution due to inherent imperfections in a
cylindrical alignment cell device .26
Annex F (informative) Numerical example .27
Annex G (normative) Alignment gauge — A method for qualitative assessment of alignment of test
systems for cylindrical specimens .28
Bibliography .30
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ISO 23788:2012(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 23788 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee
SC 5, Fatigue testing.
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ISO 23788:2012(E)
Introduction
Machine alignment in the context of this International Standard means the coincidence of the geometrical
(loading) axes of the grips. Any departure from this ideal situation results in an angular and/or lateral offset (or
misalignment) in the load train (see Annex A). Misalignment is manifested as an unwanted bending stress/strain
field to exist in the test specimen or alignment measuring device (hereinafter “alignment cell”). The bending
stress/strain field superimposes on the applied, presumed uniform, stress/strain field. In pure torsion testing,
any misalignment results in a biaxial torsion plus bending stress/strain state.
Misalignment in the load train in axial fatigue test systems has been shown to influence significantly the fatigue
test results (see References [1], [2] and [3]).
The main causes of bending due to misalignment are invariably a combination of
— poor coincidence of the centrelines of the grips, and
— inherent imperfections in the specimen or alignment cell itself.
The bending contribution due to the test machine ideally remains the same for every test specimen or alignment
cell. The bending contribution due to the specimen or alignment cell varies from one device to another.
Recent research (see References [4] and [5]) has shown that no matter how carefully a specimen or an
alignment cell device has been manufactured an inherent bending error always exists. Imperfections (i.e.
eccentricity and angularity) arise from geometric asymmetry about the axial centreline in the device and other
measurement errors relating to the chosen type, positioning and performance of the strain gauges. The device
inherent bending error can be significant and sometimes even exceed that due to the machine misalignment.
In this International Standard, errors due to inherent imperfections in the alignment cell itself are eliminated.
This is achieved by rotating the alignment device 180° about its longitudinal axis and subtracting its contribution
from the overall maximum surface bending strain determined in the measurement. Different devices that are
made of the same material and nominal dimensions should reasonably, therefore, produce the same alignment
measurement results; see an example in Reference [2], Figure 10.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 23788:2012(E)
Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue
testing machines
1 Scope
This International Standard describes a method for verifying the alignment in a testing machine using a strain-
gauged measuring device. It is applicable to dynamic uniaxial tension/compression, pure torsion and combined
tension/compression plus torsion fatigue testing machines for metallic materials.
The methodology outlined in this International Standard is generic and can be applied to static testing machines
and in non-metallic materials testing.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are indispensable
for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 7500-1, Metallic materials — Verification of static uniaxial testing machines — Part 1: tension/ compression
testing machines — Verification and calibration of force-measuring system
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
alignment
coincidence of the loading axes of the load train components, including the test specimen
NOTE Departure from such coincidence can introduce bending moments into the specimen.
3.2
alignment cell
carefully machined measuring device instrumented with strain gauges for use in verifying the alignment of a
testing machine
3.3
alignment gauge
carefully machined mechanical device made of a split bar and a gauge for pass/fail checking of the correct
alignment of the grips
3.4
average axial strain
ε
o
average longitudinal axial strain measured at the surface of the alignment cell by a set of strain gauges located
in the same cross-sectional plane
NOTE The average axial strain represents the strain at the geometrical centre of the cross section.
3.5
load train
all the components between and including the crosshead and the actuator
NOTE The load train includes the specimen.
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ISO 23788:2012(E)
3.6
bending strain
ε
b
difference between the local strain measured by a strain gauge and the average axial strain
NOTE Bending strain is a vector characterized by a magnitude, a direction and a discrete point of application. In
general, it varies from point to point on the surface of the alignment cell.
3.7
machine alignment
coincidence of the axes of the grips, which is characterized by the maximum bending strain component ε
b,max,mc
NOTE Machine misalignment is manifested by the existence of a lateral offset and/or an angular offset between the
loading axes of the upper and lower grips.
3.8
machine aspect
reference to the test machine’s front, back, left and right
3.9
maximum bending strain
ε
b,max
vector quantity with the largest bending strain magnitude in a given cross-sectional plane
NOTE Maximum bending strain vector is characterized by a magnitude, a direction and a discrete point of application.
3.10
percentage bending
β
maximum bending strain times 100 and divided by the average axial strain
3.11
measurement plane
cross-sectional plane in the alignment cell in which the transverse axes of a set of strain gauges are positioned
3.12
measurement orientations
position of the alignment cell (0°, 90°, 180° and 270°), about its longitudinal axis, which defines the location of
gauge 1 or a permanent mark on the alignment cell’s surface, with respect to the front of the machine
NOTE The front of the machine is the R-direction.
3.13
parallel length
L
p
parallel portion of the reduced section of the alignment cell
3.14
proportional limit
greatest stress that a material is capable of sustaining elastically, i.e. without any deviation from proportionality
of stress to strain
3.15
R-direction
fixed reference direction with respect to the frame of the testing machine
NOTE Typically, it is the direction from the centre towards the front of the machine.
3.16
strain gauge axial separation
L
g
axial distance on the alignment cell between the upper and lower measurement planes
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3.17
strain gauge transverse separation
W
g
transverse distance on the broad face of a thin rectangular alignment cell between the centres of the strain gauges
4 Symbols
For the purposes of this document, the following symbols apply.
Symbol Description
A – A upper set of strain gauges
1 4
B – B lower set of strain gauges
1 4
d minimum diameter of cylindrical alignment cell; inner diameter of alignment gauge
D diameter at grip end of cylindrical alignment cell
e eccentricity or lateral offset
L parallel length
p
L axial separation of strain gauges
g
L overall length of alignment cell, alignment gauge or test specimen
z
r
fillet radius between the parallel length and the grip end of the alignment cell or test
specimen
t
thickness of reduced section of rectangular alignment cell
w
width of reduced section of rectangular alignment cell
W width at grip end of rectangular alignment cell
w transverse separation of strain gauges
g
Β percentage bending
β percentage bending due to inherent imperfections in the alignment cell
ac
β percentage bending due to machine misalignment
mc
ε average axial strain
o
ε , ε , etc. readings of individual strain gauges (i.e. local strain)
1 2
ε bending strain (combined value)
b
ε bending strain component due to inherent imperfections in the alignment cell
b,ac
ε bending strain component due to machine misalignment
b,mc
ε maximum bending strain (combined value)
b,max
ε maximum bending strain component due to inherent imperfections in the alignment cell
b,max,ac
ε maximum bending strain component due to machine misalignment
b,max,mc
γ
angular offset
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θ angle (clockwise where seen from above) of the location of ε with respect to gauge 1
ac b,max,ac
(or a permanent mark on the alignment cell’s surface)
θ angle (clockwise where seen from above) of the location of ε with respect to front of
mc b,max,mc
the machine (the R-direction)
5 Measurement requirements
5.1 Testing machine
The testing system shall have a force-measuring system comprising force transducer (load cell), conditioner
and readout units. This system shall meet the requirements of ISO 7500-1.
NOTE 1 Class 1 requires that force indicated errors do not exceed ±1 % of the reading over the verification range.
It is essential that the grips enable rotating the alignment cell 180° about its longitudinal axis. It shall also
adequately enable repeatable positioning and gripping of the alignment cell with minimal variation in the
misalignment (see Annex B).
It is recommended, but not essential, that the machine be equipped with means for adjusting the lateral and
angular offsets of one part of the load train. It is also recommended to
a) minimize the number of components of which these gripping devices are composed in order to reduce the
number of mechanical interfaces, and
b) maximize the lateral stiffness of the fatigue testing machine in order to reduce the effects of any so-called
reversed bending on fatigue test results in tests involving reversed tension-compression loading (see
Reference [1]).
NOTE 2 See Annex C for a method for measuring machine lateral stiffness.
5.2 Alignment cell
Alignment measurement can be slightly affected by the stiffness of the alignment cell used in the measurement
(see Figure 13 in Reference [2]); the lower the stiffness of the device, the higher its measurement sensitivity of
machine alignment. A good alignment cell should also be sufficiently robust to last and enable successive usage
over a long period of time (i.e. years). Care should be taken to ensure both requirements are adequately fulfilled.
A suitable material for an alignment cell should ideally have:
a) a sufficiently high linear elastic range;
b) a high degree of metallurgical stability;
c) freedom from appreciable residual stress to ensure dimensional stability;
d) good oxidation resistance.
Fully tempered steels, e.g. alloy steels with 0,2 % proof stress in the order of 1 000 MPa, are ideal candidate
materials for alignment cells (see References [3] and [4]). High-strength aluminium alloys, such as 7075-T6,
are amongst suitable alternatives.
5.3 Design and manufacturing
5.3.1 Design
The alignment cell shall have the same overall length (but not necessarily the same gauge length and cross-
sectional area) as the fatigue test specimen. It shall fit into the grips in the same way the fatigue test specimen
does so that use of special adaptors is avoided. For cylindrical devices, the diameter, d, shall be no more
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than 10 mm or the fatigue test specimen’s diameter, whichever is the greater. The recommended standard
diameters are 5 mm, 7,5 mm and 10 mm.
Tables 1, 2 and 3 show the recommended standard proportions. Smaller cross-section dimensions than those
shown in the tables may be used subject to availability of suitable strain gauges. Figures 1 and 2 show the
requirements for concentricity, straightness and parallelism (i.e. machining tolerances for surfaces which affect
the alignment) for the basic alignment cell shapes.
Other geometries and profiles are permissible, provided the principal requirements of this International
Standard are observed. Significant variations in dimensions can, however, preclude meaningful comparison
with measurements from the recommended standard cells. For recommendations on other geometries and
design of grip ends, see Reference [4].
5.3.2 Dimensions of alignment cells of circular cross-sections
See Table 1 and Figure 1.
Table 1 — Nominal dimensions for alignment cells of circular cross-sections
Dimension
Recommendation
mm
d 5, 7,5 and 10
L 2,5d
p
r ≥ 2d
D D (test specimen)
L L (test specimen)
z z
Surface roughness of reduced section: 0,8 µm to 1,6 µm.
5.3.3 Dimensions of alignment cells of thick rectangular cross-sections
See Table 2 and Figure 2.
Table 2 — Nominal dimensions for alignment cells of thick rectangular cross-sections
Dimension
Recommendation
mm
t 5, 7,5 and 10
w ≥ t
L ≥ 2,5t
p
r 2t to 8t
W W (test specimen)
L L (test specimen)
z z
Surface roughness of reduced section: 0,8 µm to 1,6 µm.
5.3.4 Dimensions of alignment cells of thin rectangular cross-sections
See Table 3 and Figure 2.
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ISO 23788:2012(E)
Table 3 — Nominal dimensions for alignment cells of thin rectangular cross-sections
Dimension
Recommendation
mm
t 2, 3, 4
w ≥ 5t
L ≥ 2,5t
p
r 2t to 8t
W W (test specimen)
L L (test specimen)
z z
Surface roughness of reduced section: 0,8 µm to 1,6 µm.
5.4 Machining
Small and decreasing cuts with an adequate supply of coolant shall be used for finishing so that the metallurgical
structure and properties are not affected and that undue residual stresses are not induced in the cell material.
For effective bonding of the strain gauges, the optimum surface finish for the alignment cell shall be in the
range 0,8 µm to 1,6 µm (see Reference [4]).
NOTE Surface roughness for fatigue test specimens are usually within 0,2 µm to 0,4 µm.
5.5 Inspection before attaching the strain gauges
The alignment cell shall be carefully inspected (with instruments, such as an optical shadowgraph or comparator)
and all the critical dimensions and the associated geometrical tolerances confirmed prior to attachment of the
strain gauges to ensure that all the geometrical requirements are met. After the strain gauges are applied, it is
no longer possible to inspect the alignment cell with these methods.
5.6 Instrumentation with strain gauges
An array of eight strain gauges (arranged in two sets of four) shall be numbered and positioned as shown in
Figure 3 (see References [4] and [5]). For cylindrical alignment cells [see Figure 3 a)], the strain gauges shall
be equally spaced, 90° apart, around the circumference of the alignment cell. The configuration shown in
Figure 3 b) is suitable for rectangular alignment cells with a width to thickness ratio w:t < 3. For higher w:t values,
the gauges may be placed in pairs of back-to-back sensors and equidistant from the centreline of the alignment
cell as shown in Figure 3 c). The strain gauges shall all be matched, i.e. from the same manufacturer’s batch.
It is recommended they have active lengths of approximately 0,1 L or less.
p
The alignment measurement parameters in this International Standard are determined from the ratios of the
measured strains, and they should not, therefore, be affected by temperature changes. Use of self-temperature-
compensated strain gauges matched to the alignment cell material is recommended, especially if accurate
determination of the absolute axial average strain, such as in modulus measurement, is also needed.
With reference to Figure 3, Table 4 gives the locations for positioning the strain gauges on the surface of the
alignment cell.
Table 4 — Locations of strain gauges
Dimension Requirement
L = 0,75 L
g p
w = 0,75 w
g
NOTE The distance L = 0,75 L represents the maximum feasible separation to minimize effects due to stress
g p
concentration associated with the change of section at the ends of the alignment cell’s parallel length.
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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Care should be taken in selecting the strain gauges in accordance with the manufacturer’s recommendations.
It is also important to ensure that the gauges are bonded using the manufacturer’s recommended procedure.
The strain gauges shall be located at the specified locations to within 0,10 mm or 0,01 times the alignment
cell diameter or width, whichever is the greater. Their measurement axes shall be aligned to within 2° of the
longitudinal axis of the alignment cell. After installation, the alignment of the gauges shall be checked and
confirmed using a suitable instrument such as an angular optical projector or a circular graticule in a low-power
microscope before applying any protective coating.
The strain measuring and data acquisition system (excluding the alignment cell) shall be calibrated where
appropriate. Shunt resistors and/or any other means used to calibrate the strain measuring and data acquisition
systems shall be traceable to the relevant national standards. The strain measuring and data acquisition system
(including the alignment cell) shall have a strain measurement uncertainty within ±5 µstrain or ±1,0 % of the
indicated reading, whichever is the greater.
For three-strain gauge configuration (hereinafter the “three-gauge configuration”), see Annex D.
5.7 System checks
5.7.1 As part of ensuring the proper function of the alignment measuring system, the following checks shall
be performed:
5.7.2 The following check shall be performed at least once as part of the alignment cell’s commissioning
procedure. Connect the alignment cell to the testing machine, apply a small force that corresponds to a nominal
value of ε in the alignment cell in the range 100 µstrain to 1 000 µstrain and compare the average axial strain
o
from the top set of strain gauges to that of the lower set. If they do not agree to within 5 µstrain, the alignment
cell shall be replaced.
NOTE A nominal value of ε in the alignment cell is determined using the average of all the strain gauges.
o
5.7.3 The following check shall be performed at least once as part of the machine’s loading train or the grips
commissioning procedure. Evaluate the precision of gripping the specimen consistently as described in Annex B.
5.7.4 The following check shall be carried out during every alignment verification procedure. Determine the
secant or Young’s elastic modulus, E, of the alignment cell material (at, for example, ε equals approximately
o
1 000 µstrain using the average of all the strain gauges). This shall be consistent from test to test and throughout
the lifetime of the alignment cell within ±3 % of the mean (or known value). If not, the reason shall be investigated
and appropriate action taken.
6 Alignment measurement calculations
6.1 General
The machine contribution to any bending in the alignment cell is evaluated by measuring the bending strain
components (under the same applied force) in two opposite orientations, such as 0° and 180° in Figure 4 (see
Reference [5]). By rotating the alignment cell, its bending components rotate relative to the machine while the
machine’s bending components remain unchanged. The difference between the bending strains for any single
gauge at two diametrically opposite positions gives the machine’s bending contribution.
6.2 Cylindrical alignment cell
For a set of four gauges, in the same cross-sectional plane under a given applied axial force, the average axial
strain is given by Formula (1):
εε= +++εεε /4 (1)
()
o 12 34
NOTE 1 Under zero axial force and in pure torsion, the average axial strain is zero.
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The local bending strains are:
εε=−ε (2)
bo11
εε=−ε (3)
bo22
εε=−ε (4)
bo33
εε=−ε (5)
bo44
Note that strain gauge readings are in units of strain and compressive strains are negative. Theoretically,
ε + ε should equal ε + ε .
1 3 2 4
At the front of the machine where gauge 1 is initially located, the local bending strain component due to
misalignment in the machine is given by Formula (6):
εε−
oo
bb10,,1180
ε = (6)
bm1, c
2
where ε and ε are the local bending strains measured by gauge 1 where located in orientation 0°
b1,0° b1,180°
and orientation 180°, respectively. Formula (6) is applicable to the other gauge positions to determine ε ,
b2,mc
ε and ε .
b3,mc b4,mc
The maximum bending strain due to misalignment in the machine is as given by Formula (7):
2 2
εε = 1/ 2( −− εε+ ( ε (7)
) )
b,max,mc bm13,,cb mc bm24,,cb mc
Figure 5 shows an example of variation of ε with applied average axial strain, ε , for a uniaxial
b,max,mc o
testing machine.
For axial tests, the maximum bending strain may be expressed as a percentage. Percentage bending due to
machine misalignment, β , is:
mc
ε
b,max,mc
β = ×100 (8)
mc
ε
o
The angular position of the maximum bending strain is determined as follows:
For measurements in orientations 0° and 180°:
ε −ε
() εε−
bm24,,cb mc
bm13,,cb mc
θ = × acos (9)
mc
2ε
εε−
b,max,mmc
bm24,,cb mc
where θ is measured from the R-direction, in clockwise rotation, if positive, and anticlockwise, if negative.
mc
NOTE 2 It is not unusual for θ to change slightly and gradually during the measurement if the applied force or axial
mc
strain is increased or decreased. Sudden or erratic changes, however, can indicate the existence of backlash and/or other
mechanical instability in the loading system.
NOTE 3 At a given applied force, ε and θ values are normally independent from those due to inherent
b,max,mc mc
imperfections in the alignment cell. In other words,
...
2022-08-162012-07-01
ISO 23788:2012(F)
ISO/TC 164/SC 5
Secrétariat: BSI
Matériaux métalliques — Vérification de l'alignement axial des
machines d'essai de fatigue
Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing machines
ICS: 77.040.10
Type de document : Norme internationale
Sous-type du document :
Stade du document : (60) Publication
Langue du document : F
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ISO 23788:2012(F)
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© ISO 2012 – Tous droits réservés
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 3
5 Exigences relatives aux mesures . 5
5.1 Machine d'essai . 5
5.2 Cellule d'alignement . 5
5.3 Conception et fabrication . 6
5.3.1 Conception . 6
5.3.2 Dimensions des cellules d'alignement des sections circulaires . 6
5.3.3 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires épaisses . 6
5.3.4 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires minces . 7
5.4 Usinage . 7
5.5 Inspection avant fixation des jauges de déformation . 7
5.6 Instrumentation à l'aide de jauges de déformation . 7
5.7 Vérification du système . 8
6 Calculs des mesures d'alignement . 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Cellule d'alignement cylindrique . 9
6.3 Cellule d'alignement rectangulaire épaisse . 10
6.4 Cellule d'alignement rectangulaire mince . 11
6.5 Classification de l'alignement de la machine . 11
7 Procédure de vérification de l'alignement de la machine . 12
7.1 Objet et fréquence . 12
7.2 Mode opératoire . 12
8 Rapport . 14
8.1 Informations de base . 14
8.2 Informations spéciales . 14
Annexe A (informative) Causes de flexion et de défaut d'alignement des éprouvettes dans
les machines d'essai de fatigue . 20
Annexe B (normative) Évaluation de l'incertitude dans les mesures d'alignement . 22
Annexe C (informative) Méthode de mesure de la rigidité latérale de la machine . 25
Annexe D (informative) Configuration à trois jauges de déformation . 27
Annexe E (informative) Détermination de la contribution à la flexion due aux imperfections
inhérentes à un dispositif de cellule d'alignement cylindrique . 30
Annexe F (informative) Exemple numérique . 32
Annexe G (normative) Jauge d'alignement — Méthode d'évaluation qualitative
de l'alignement des systèmes d'essai pour éprouvettes cylindriques . 33
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ISO 23788:2012(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 (IEC) en ce qui concerne la
normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles de rédaction données dans les
Directives ISO/IEC, 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 attirée 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.
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iv
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ISO 23788:2012(F)
Introduction
L'alignement de la machine dans le contexte de la présente Norme internationale signifie la coïncidence
des axes géométriques (de chargement) des mors de serrage. Tout écart par rapport à cette situation
idéale entraîne un décalage angulaire et/ou latéral (ou un défaut d'alignement) dans le système de mise
en charge (voir Annexe A). Le défaut d'alignement se traduit par un champ de contrainte/déformation de
flexion indésirable, existant dans l'éprouvette d'essai ou le dispositif de mesure d'alignement (ci-après
«cellule d'alignement»). Le champ de contrainte/déformation de flexion se superpose au champ de
contrainte/déformation appliqué, supposé uniforme. Lors de l'essai de torsion pure, tout défaut
d'alignement entraîne un état de contrainte/déformation biaxial de torsion et flexion.
Il a été démontré que le défaut d'alignement dans le système de mise en charge des systèmes d'essai de
fatigue axiale influence de manière significative les résultats d'essai de fatigue (voir Références [1], [2]
et [3]).
Les principales causes de flexion dues à un défaut d'alignement sont invariablement une combinaison de
— mauvaise coïncidence des axes des mors de serrage, et
— d'imperfections inhérentes à l'éprouvette ou à la cellule d'alignement elle-même.
La contribution à la flexion due à la machine d'essai reste dans l'idéal la même pour chaque éprouvette
d'essai ou cellule d'alignement. La contribution à la flexion due à l'éprouvette ou à la cellule d'alignement
varie d'un dispositif à l'autre.
Des recherches récentes (voir Références [4] et [5]) ont montré que, quelles que soient les précautions
prises lors de la fabrication d'une éprouvette ou d'un dispositif d'alignement, il existe toujours une erreur
de flexion. Les imperfections (c'est-à-dire l'excentricité et l'angularité) résultent de l'asymétrie
géométrique autour de l'axe central du dispositif et d'autres erreurs de mesure relatives au type, au
positionnement et aux performances choisis pour les jauges de déformation. L'erreur de flexion inhérente
au dispositif peut être significative et parfois même dépasser celle due au défaut d'alignement de la
machine.
Dans la présente Norme internationale, les erreurs dues aux imperfections inhérentes à la cellule
d'alignement elle-même sont éliminées. Ce résultat est obtenu en pivotant le dispositif d'alignement de
180° autour de son axe longitudinal et en soustrayant sa contribution de la déformation de flexion totale
déterminée par la mesure. Différents dispositifs fabriqués avec le même matériau et les mêmes
dimensions nominales produisent donc raisonnablement les mêmes résultats de mesure d'alignement
(voir un exemple dans la Référence [2], Figure 10).
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NORME INTERNATIONALE ISO 23788:2012(F)
Matériaux métalliques — Vérification de l'alignement axial
des machines d'essai de fatigue
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale décrit une méthode de vérification de l'alignement d’une machine
d'essai à l'aide d'un dispositif de mesure à jauge de déformation. Elle s'applique aux machines d'essais
dynamiques de traction/compression uniaxiale, aux machines d’essai de fatigue pour les matériaux
métalliques de torsion pure et de traction/compression plus torsion combinée .
La méthodologie décrite dans la présente Norme internationale est générique et peut être appliquée aux
machines d'essais statiques et aux essais de matériaux non métalliques.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, font office de références normatives dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l'édition citée
s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document référencé s'applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification — Vérification des machines pour essais
statiques uniaxiaux — Partie 1: Machines d'essai de traction/compression — Étalonnage — Vérification et
vérificationétalonnage du système de mesure de force
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
alignement
coïncidence des axes de chargement des éléments du système de mise en charge, y compris l'éprouvette
d'essai
Note 1 à l'article: Tout écart par rapport à cette coïncidence peut entraîner des moments de flexion dans
l'éprouvette.
3.2
cellule d'alignement
dispositif de mesure soigneusement usiné, équipé de jauges de déformation pour vérifier l'alignement
d'une machine d'essai
3.3
jauge d'alignement
dispositif mécanique soigneusement usiné, composé de deux tenons et d’une bague, qui est utilisé pour
vérifier le bon alignement des mors de serrage (échec/réussite)
3.4
déformation axiale moyenne
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ε
o
déformation axiale longitudinale moyenne mesurée à la surface de la cellule d'alignement au moyen d'un
ensemble de jauges de déformation situées sur le même plan de section transversale
Note 1 à l'article: La déformation axiale moyenne représente la déformation au niveau du centre géométrique de la
section transversale.
3.5
système de mise en charge
tous les composants figurant entre la traverse et le vérin inclus
Note 1 à l'article: Le système de mise en charge comprend l'éprouvette.
3.6
déformation de flexion
ε
b
différence entre la déformation locale mesurée par une jauge de déformation et la déformation axiale
moyenne
Note 1 à l'article: La déformation de flexion est un vecteur caractérisé par une amplitude, une direction et un point
d'application. En général, elle varie d'un point à l'autre de la surface de la cellule d'alignement.
3.7
alignement de la machine
coïncidence des axes des mors de serrage, qui est caractérisée par l'élément de déformation de flexion
maximale ε
b,max,mc
Note 1 à l'article: Un défaut d'alignement de la machine se manifeste par l'existence d'un décalage latéral et/ou d'un
décalage angulaire entre les axes de chargement des mors de serrage supérieurs et inférieurs.
3.8
aspect de la machine
référence à l'avant, à l'arrière et aux côtés gauche et droit de la machine d'essai
3.9
déformation de flexion maximale
ε
b,max
grandeur vectorielle ayant l'amplitude de déformation de flexion la plus importante dans un plan de
section transversale donné
Note 1 à l'article: Le vecteur de déformation de flexion maximale est caractérisé par une amplitude, une direction
et un point d'application.
3.10
pourcentage de flexion
β
déformation de flexion maximale multipliée par 100 et divisée par la déformation axiale moyenne
3.11
plan de mesure
plan de section transversale d'une cellule d'alignement sur lequel sont positionnés les axes transversaux
d'un ensemble de jauges de déformation
3.12
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orientations des mesures
position de la cellule d'alignement (0°, 90°, 180° et 270°), autour de son axe longitudinal, qui définit
l'emplacement de la jauge 1 ou un repère permanent à la surface de la cellule d'alignement, par rapport
à l'avant de la machine
Note 1 à l'article: L'avant de la machine correspond à la direction R.
3.13
longueur calibrée
L
c
longueur de la section réduite calibrée de la cellule d'alignement
3.14
limite de proportionnalité
déformation la plus importante qu'un matériau est capable de supporter en élasticité sans écart de
proportionnalité entre la contrainte et la déformation
3.15
direction R
direction de référence déterminée par rapport au bâti de la machine d'essai
Note 1 à l'article: En règle générale, il s'agit de la direction du centre vers l'avant de la machine.
3.16
écartement axial des jauges de déformation
L
g
distance axiale entre les plans de mesure supérieur et inférieur sur la cellule d'alignement
3.17
écartement transversal des jauges de déformation
W
g
distance transversale sur la face large d'une cellule d'alignement rectangulaire mince entre les centres
des jauges de déformation
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles suivants s'appliquent.
Symbole Description
A – A ensemble supérieur de jauges de déformation
1 4
B – B ensemble inférieur de jauges de déformation
1 4
d diamètre minimal de la cellule d'alignement cylindrique; diamètre intérieur de la bague de
la jauge d'alignement
D diamètre à la tête d'amarrage de la cellule d'alignement cylindrique
e excentricité ou décalage latéral
L longueur calibrée
p
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L écartement axial des jauges de déformation
g
L longueur hors tout de la cellule d'alignement, de la jauge d'alignement ou de l'éprouvette
z
d'essai
r rayon du congé entre la longueur calibrée et la tête d'amarrage de la cellule d'alignement
ou de l'éprouvette d'essai
t épaisseur de la section réduite de la cellule d'alignement rectangulaire
w largeur de la section réduite de la cellule d'alignement rectangulaire
W largeur au niveau de la tête d'amarrage de la cellule d'alignement rectangulaire
w écartement transversal des jauges de déformation
g
Β pourcentage de flexion
β pourcentage de flexion due aux imperfections inhérentes à la cellule d'alignement
ac
β pourcentage de flexion due à un défaut d'alignement de la machine
mc
ε déformation axiale moyenne
o
ε , ε , etc. relevé des jauges de déformation individuelles (déformation locale)
1 2
ε déformation de flexion (valeur combinée)
b
ε composante de déformation de flexion due aux imperfections inhérentes à la cellule
b,ac
d'alignement
ε composante de déformation de flexion due à un défaut d'alignement de la machine
b,mc
ε déformation de flexion maximale (valeur combinée)
b,max
ε composante de déformation de flexion maximale due aux imperfections inhérentes à la
b,max,ac
cellule d'alignement
ε composante de déformation de flexion maximale due à un défaut d'alignement de la
b,max,mc
machine
γ décalage angulaire
θ angle (dans le sens horaire vu de dessus) de l'emplacement de ε par rapport à la
ac b,max,ac
jauge 1 (ou un repère permanent à la surface de la cellule d'alignement)
θ angle (dans le sens horaire vu de dessus) de l'emplacement de ε par rapport à l'avant
mc b,max,mc
de la machine (direction R)
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5 Exigences relatives aux mesures
5.1 Machine d'essai
Le système d'essai doit comporter un système de mesure de force comprenant un capteur de force
(cellule de charge), des unités de conditionnement et des modules d'affichage. Ce système doit être
conforme aux exigences de la norme ISO 7500-1.
NOTE 1 La classe 1 requiert que les erreurs de force indiquées ne dépassent pas ±1 % de la valeur relevée sur la
plage de vérification.
Il est essentiel que les mors de serrage permettent à la cellule d'alignement une rotation de 180° autour
de son axe longitudinal. La cellule d'alignement doit pouvoir également être repositionnée et amarrée à
plusieurs reprises avec une variation minimale de défaut d'alignement (voir Annexe B).
Il est recommandé, mais non obligatoire, que la machine soit équipée de moyens permettant de régler les
décalages latéraux et angulaires d'une partie du système de mise en charge. Il est également recommandé
de:
a) minimiser le nombre de composants dont ces dispositifs de serrage sont composés afin de réduire le
nombre d'interfaces mécaniques, et
b) maximiser la rigidité latérale de la machine d'essai de fatigue afin de réduire les effets de toute flexion
dite alternée sur les résultats d'essai de fatigue lorsque ces essais impliquent une charge de
compression-traction alternée (voir Référence [1]).
NOTE 2 Voir Annexe C pour savoir comment mesurer la rigidité latérale de la machine.
5.2 Cellule d'alignement
La mesure de l'alignement peut être légèrement affectée par la rigidité de la cellule d'alignement utilisée
dans la mesure (voir Figure 13 dans la Référence [2]); plus la rigidité du dispositif est faible, plus sa
sensibilité à la mesure de l'alignement de la machine est élevée. Il convient également qu'une bonne
cellule d'alignement soit suffisamment robuste pour durer et permettre des utilisations successives sur
une longue période (c'est-à-dire des années). Il convient de veiller à ce que ces deux exigences soient
respectées correctement.
Dans l'idéal, il convient qu'un matériau de cellule d'alignement comporte:
a) une étendue élastique linéaire suffisamment élevée;
b) un degré important de stabilité métallurgique;
c) une absence de contrainte résiduelle appréciable pour assurer la stabilité dimensionnelle;
d) une bonne résistance à l'oxydation.
Les aciers entièrement trempés, par exemple les aciers alliés avec une limite d'élasticité de 0,2 % de
l'ordre de 1 000 MPa, sont des matériaux candidats idéaux pour les cellules d'alignement (voir
Références [3] et [4]). Les alliages d'aluminium à haute résistance, tels que 7075-T6, figurent parmi les
autres solutions possibles.
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5.3 Conception et fabrication
5.3.1 Conception
La cellule d'alignement doit avoir la même longueur hors tout (mais pas nécessairement la même
longueur calibrée et la même section transversale) que l'éprouvette d'essai de fatigue. Elle doit s'intégrer
dans les mors de serrage de la même manière que l'éprouvette d'essai de fatigue afin d'éviter l'utilisation
d'adaptateurs spéciaux. Pour les dispositifs cylindriques, le diamètre, d, ne doit pas être supérieur à
10 mm ou au diamètre de l'éprouvette d'essai de fatigue, selon la valeur la plus élevée. Les diamètres
standard recommandés sont 5 mm, 7,5 mm et 10 mm.
Les Tableaux 1, 2 et 3 présentent les proportions standard recommandées. Des dimensions de section
transversale plus petites que celles indiquées dans les tableaux peuvent être utilisées sous réserve de la
disponibilité de jauges de déformation appropriées. Les Figures 1 et 2 présentent les exigences relatives
à la concentricité, à la rectitude et au parallélisme (c'est-à-dire les tolérances d'usinage des surfaces qui
ont une incidence sur l'alignement) pour les formes des cellules d'alignement de base.
D'autres géométries et profils sont admissibles, à condition que les principales exigences de la présente
Norme internationale soient respectées. Des variations importantes des dimensions peuvent toutefois
exclure une comparaison significative avec les mesures effectuées à partir des cellules standard
recommandées. Pour les recommandations relatives aux autres géométries et à la conception des têtes
d'amarrage, voir Référence [4].
5.3.2 Dimensions des cellules d'alignement des sections circulaires
Voir Tableau 1 et Figure 1.
Tableau 1 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections circulaires
Dimension
Recommandée
en mm
d 5, 7,5 et 10
L 2,5d
p
r ≥ 2d
D D (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5.3.3 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires épaisses
Voir Tableau 2 et Figure 2.
Tableau 2 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections rectangulaires
épaisses
Dimension
Recommandée
en mm
t 5, 7,5 et 10
w ≥ t
Lp ≥ 2,5t
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r 2t à 8t
W W (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5.3.4 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires minces
Voir Tableau 3 et Figure 2.
Tableau 3 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections rectangulaires
minces
Dimension
Recommandée
en mm
t 2, 3, 4
w ≥ 5t
Lp ≥ 2,5t
r 2t à 8t
W W (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5.4 Usinage
Des passes petites et décroissantes avec un apport suffisant de liquide de refroidissement doivent être
utilisées pour la finition de sorte que la structure et les propriétés métallurgiques ne soient pas affectées
et que des contraintes résiduelles indues ne soient pas induites dans le matériau de la cellule. Pour
l'adhérence effective des jauges de déformation, la finition de surface optimale de la cellule d'alignement
doit être comprise entre 0,8 μm et 1,6 μm (voir Référence [4]).
NOTE La rugosité de surface des éprouvettes d'essai de fatigue se situe généralement entre 0,2 μm et 0,4 μm.
5.5 Inspection avant fixation des jauges de déformation
La cellule d'alignement doit être inspectée avec soin (à l'aide d'instruments tels qu'un projecteur de profil
ou un comparateur) et toutes les dimensions critiques et les tolérances géométriques associées doivent
être confirmées avant la fixation des jauges de déformation, afin d'assurer que toutes les exigences
géométriques sont satisfaites. Une fois les jauges de déformation fixées, il n'est plus possible d'inspecter
la cellule d'alignement à l'aide de ces méthodes.
5.6 Instrumentation à l'aide de jauges de déformation
Un ensemble de huit jauges de déformation (disposées en deux séries de quatre) doit être numéroté et
positionné comme indiqué à la Figure 3 (voir Références [4] et [5]). Pour les cellules d'alignement
cylindriques [voir Figure 3 a)], les jauges de déformation doivent être espacées à intervalles égaux de 90°,
autour de la circonférence de la cellule d'alignement. La configuration représentée à la Figure 3 b) est
appropriée pour les cellules d'alignement rectangulaires avec un rapport largeur/épaisseur w:t < 3. Pour
des valeurs w:t supérieures, les jauges peuvent être placées par paires dos à dos et équidistants par
rapport à l'axe de la cellule d'alignement, comme illustré à la Figure 3 c). Les jauges de déformation
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doivent toutes correspondre, c'est-à-dire qu’elles doivent provenir du même lot de fabrication. Leur
longueur active recommandée doit être d'environ 0,1 L ou moins.
c
Les paramètres de mesure d'alignement de la présente Norme internationale sont déterminés à partir
des rapports des déformations mesurées et, par conséquent, il convient qu’ils ne soient généralement pas
affectés par les variations de température. Il est recommandé d'utiliser des jauges de déformation à
compensation thermique automatique adaptées au matériau de la cellule d'alignement, en particulier si
une détermination précise de la déformation axiale moyenne absolue, comme dans la mesure du module,
est également nécessaire.
En référence à la Figure 3, le Tableau 4 indique les emplacements pour positionner les jauges de
déformation à la surface de la cellule d'alignement.
Tableau 4 — Emplacements des jauges de déformation
Dimension Exigence
L = 0,75 L
g c
wg = 0,75 w
NOTE La distance L = 0,75 L représente l’écartement maximal réalisable pour minimiser les effets dus à la
g c
concentration de contrainte associée au changement de section aux extrémités de la longueur calibrée de la cellule
d'alignement.
Il convient de prendre soin de choisir les jauges de déformation conformément aux recommandations du
fabricant. Il est également important de s'assurer que les jauges sont collées selon le mode opératoire
recommandé par le fabricant. Les jauges de déformation doivent être situées aux emplacements spécifiés
à 0,10 mm ou 0,01 fois près le diamètre ou la largeur de la cellule d'alignement, selon la valeur la plus
élevée. Leurs axes de mesure doivent être alignés à 2° près par rapport à l'axe longitudinal de la cellule
d'alignement. Après l'installation, l'alignement des jauges doit être vérifié et confirmé à l'aide d'un
instrument approprié tel qu'un projecteur optique à mesure angulaire ou un réticule circulaire dans un
microscope de faible puissance avant d'appliquer tout revêtement protecteur.
Le système de mesure et d'acquisition de données de déformation (à l'exclusion de la cellule
d'alignement) doit être étalonné, le cas échéant. Les résistances de mesure et/ou tout autre moyen utilisé
pour étalonner les systèmes de mesure et d'acquisition de données de déformation doivent être traçables
conformément aux Normes nationales pertinentes. Le système de mesure et d'acquisition de données de
déformation (y compris la cellule d'alignement) doit présenter une incertitude de mesure de déformation
dans les limites de ±5 µdéf ou ±1,0 % de la valeur indiquée, selon la valeur la plus élevée.
Pour une configuration à trois jauges de déformation (ci-après «configuration à trois jauges»), voir
Annexe D.
5.7 Vérification du système
5.7.1 Afin d'assurer le bon fonctionnement du système de mesure d'alignement, les vérifications
suivantes doivent être effectuées:
5.7.2 La vérification suivante doit être effectuée au moins une fois dans le cadre de la procédure de
mise en service de la cellule d'alignement. Raccorder la cellule d'alignement à la machine d'essai,
appliquer une petite force correspondant à une valeur nominale de ε dans la cellule d'alignement dans
o
la plage de 100 μdéf à 1 000 μdéf et comparer la déformation axiale moyenne de l'ensemble supérieur de
jauges de déformation
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 23788
Première édition
2012-07-01
Matériaux métalliques — Vérification
de l'alignement axial des machines
d'essai de fatigue
Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing
machines
Numéro de référence
ISO 23788:2012(F)
© ISO 2012
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Publié en Suisse
ii
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 3
5 Exigences relatives aux mesures . 4
5.1 Machine d'essai . 4
5.2 Cellule d'alignement . 4
5.3 Conception et fabrication . 5
5.3.1 Conception . 5
5.3.2 Dimensions des cellules d'alignement des sections circulaires . 5
5.3.3 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires épaisses . 6
5.3.4 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires minces . 6
5.4 Usinage . 6
5.5 Inspection avant fixation des jauges de déformation . 6
5.6 Instrumentation à l'aide de jauges de déformation . 7
5.7 Vérification du système . 7
6 Calculs des mesures d'alignement .8
6.1 Généralités . 8
6.2 Cellule d'alignement cylindrique . 8
6.3 Cellule d'alignement rectangulaire épaisse . 9
6.4 Cellule d'alignement rectangulaire mince . 10
6.5 Classification de l'alignement de la machine . 10
7 Procédure de vérification de l'alignement de la machine .11
7.1 Objet et fréquence . 11
7.2 Mode opératoire . 11
8 Rapport .12
8.1 Informations de base . 12
8.2 Informations spéciales .13
Annexe A (informative) Causes de flexion et de défaut d'alignement des éprouvettes dans
les machines d'essai de fatigue .19
Annexe B (normative) Évaluation de l'incertitude dans les mesures d'alignement .21
Annexe C (informative) Méthode de mesure de la rigidité latérale de la machine .24
Annexe D (informative) Configuration à trois jauges de déformation .26
Annexe E (informative) Détermination de la contribution à la flexion due aux imperfections
inhérentes à un dispositif de cellule d'alignement cylindrique .29
Annexe F (informative) Exemple numérique .31
Annexe G (normative) Jauge d'alignement — Méthode d'évaluation qualitative
de l'alignement des systèmes d'essai pour éprouvettes cylindriques .32
Bibliographie .34
iii
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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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles de rédaction données dans les
Directives ISO/IEC, 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 attirée 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.
iv
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Introduction
L'alignement de la machine dans le contexte de la présente Norme internationale signifie la coïncidence
des axes géométriques (de chargement) des mors de serrage. Tout écart par rapport à cette situation
idéale entraîne un décalage angulaire et/ou latéral (ou un défaut d'alignement) dans le système de mise
en charge (voir Annexe A). Le défaut d'alignement se traduit par un champ de contrainte/déformation
de flexion indésirable, existant dans l'éprouvette d'essai ou le dispositif de mesure d'alignement (ci-
après «cellule d'alignement»). Le champ de contrainte/déformation de flexion se superpose au champ
de contrainte/déformation appliqué, supposé uniforme. Lors de l'essai de torsion pure, tout défaut
d'alignement entraîne un état de contrainte/déformation biaxial de torsion et flexion.
Il a été démontré que le défaut d'alignement dans le système de mise en charge des systèmes d'essai de
fatigue axiale influence de manière significative les résultats d'essai de fatigue (voir Références [1], [2]
et [3]).
Les principales causes de flexion dues à un défaut d'alignement sont invariablement une combinaison
de
— mauvaise coïncidence des axes des mors de serrage, et
— d'imperfections inhérentes à l'éprouvette ou à la cellule d'alignement elle-même.
La contribution à la flexion due à la machine d'essai reste dans l'idéal la même pour chaque éprouvette
d'essai ou cellule d'alignement. La contribution à la flexion due à l'éprouvette ou à la cellule d'alignement
varie d'un dispositif à l'autre.
Des recherches récentes (voir Références [4] et [5]) ont montré que, quelles que soient les précautions
prises lors de la fabrication d'une éprouvette ou d'un dispositif d'alignement, il existe toujours une
erreur de flexion. Les imperfections (c'est-à-dire l'excentricité et l'angularité) résultent de l'asymétrie
géométrique autour de l'axe central du dispositif et d'autres erreurs de mesure relatives au type,
au positionnement et aux performances choisis pour les jauges de déformation. L'erreur de flexion
inhérente au dispositif peut être significative et parfois même dépasser celle due au défaut d'alignement
de la machine.
Dans la présente Norme internationale, les erreurs dues aux imperfections inhérentes à la cellule
d'alignement elle-même sont éliminées. Ce résultat est obtenu en pivotant le dispositif d'alignement
de 180° autour de son axe longitudinal et en soustrayant sa contribution de la déformation de flexion
totale déterminée par la mesure. Différents dispositifs fabriqués avec le même matériau et les mêmes
dimensions nominales produisent donc raisonnablement les mêmes résultats de mesure d'alignement
(voir un exemple dans la Référence [2], Figure 10).
v
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NORME INTERNATIONALE ISO 23788:2012(F)
Matériaux métalliques — Vérification de l'alignement axial
des machines d'essai de fatigue
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale décrit une méthode de vérification de l'alignement d’une machine
d'essai à l'aide d'un dispositif de mesure à jauge de déformation. Elle s'applique aux machines d'essais
dynamiques de traction/compression uniaxiale, aux machines d’essai de fatigue pour les matériaux
métalliques de torsion pure et de traction/compression plus torsion combinée .
La méthodologie décrite dans la présente Norme internationale est générique et peut être appliquée
aux machines d'essais statiques et aux essais de matériaux non métalliques.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, font office de références normatives dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l'édition citée
s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document référencé s'applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Vérification des machines pour essais statiques uniaxiaux — Partie 1:
Machines d'essai de traction/compression — Vérification et étalonnage du système de mesure de force
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1
alignement
coïncidence des axes de chargement des éléments du système de mise en charge, y compris l'éprouvette
d'essai
NOTE Tout écart par rapport à cette coïncidence peut entraîner des moments de flexion dans
l'éprouvette.
3.2
cellule d'alignement
dispositif de mesure soigneusement usiné, équipé de jauges de déformation pour vérifier l'alignement
d'une machine d'essai
3.3
jauge d'alignement
dispositif mécanique soigneusement usiné, composé de deux tenons et d’une bague, qui est utilisé pour
vérifier le bon alignement des mors de serrage (échec/réussite)
3.4
déformation axiale moyenne
ε
o
déformation axiale longitudinale moyenne mesurée à la surface de la cellule d'alignement au moyen
d'un ensemble de jauges de déformation situées sur le même plan de section transversale
NOTE La déformation axiale moyenne représente la déformation au niveau du centre géométrique de la
section transversale.
1
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ISO 23788:2012(F)
3.5
système de mise en charge
tous les composants figurant entre la traverse et le vérin inclus
NOTE Le système de mise en charge comprend l'éprouvette.
3.6
déformation de flexion
ε
b
différence entre la déformation locale mesurée par une jauge de déformation et la déformation axiale
moyenne
NOTE La déformation de flexion est un vecteur caractérisé par une amplitude, une direction et un point
d'application. En général, elle varie d'un point à l'autre de la surface de la cellule d'alignement.
3.7
alignement de la machine
coïncidence des axes des mors de serrage, qui est caractérisée par l'élément de déformation de flexion
maximale ε
b,max,mc
NOTE Un défaut d'alignement de la machine se manifeste par l'existence d'un décalage latéral et/ou d'un
décalage angulaire entre les axes de chargement des mors de serrage supérieurs et inférieurs.
3.8
aspect de la machine
référence à l'avant, à l'arrière et aux côtés gauche et droit de la machine d'essai
3.9
déformation de flexion maximale
ε
b,max
grandeur vectorielle ayant l'amplitude de déformation de flexion la plus importante dans un plan de
section transversale donné
NOTE Le vecteur de déformation de flexion maximale est caractérisé par une amplitude, une direction et un
point d'application.
3.10
pourcentage de flexion
β
déformation de flexion maximale multipliée par 100 et divisée par la déformation axiale moyenne
3.11
plan de mesure
plan de section transversale d'une cellule d'alignement sur lequel sont positionnés les axes transversaux
d'un ensemble de jauges de déformation
3.12
orientations des mesures
position de la cellule d'alignement (0°, 90°, 180° et 270°), autour de son axe longitudinal, qui définit
l'emplacement de la jauge 1 ou un repère permanent à la surface de la cellule d'alignement, par rapport
à l'avant de la machine
NOTE L'avant de la machine correspond à la direction R.
3.13
longueur calibrée
L
c
longueur de la section réduite calibrée de la cellule d'alignement
2
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ISO 23788:2012(F)
3.14
limite de proportionnalité
déformation la plus importante qu'un matériau est capable de supporter en élasticité sans écart de
proportionnalité entre la contrainte et la déformation
3.15
direction R
direction de référence déterminée par rapport au bâti de la machine d'essai
NOTE En règle générale, il s'agit de la direction du centre vers l'avant de la machine.
3.16
écartement axial des jauges de déformation
L
g
distance axiale entre les plans de mesure supérieur et inférieur sur la cellule d'alignement
3.17
écartement transversal des jauges de déformation
W
g
distance transversale sur la face large d'une cellule d'alignement rectangulaire mince entre les centres
des jauges de déformation
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles suivants s'appliquent.
Symbole Description
A – A ensemble supérieur de jauges de déformation
1 4
B – B ensemble inférieur de jauges de déformation
1 4
d diamètre minimal de la cellule d'alignement cylindrique; diamètre intérieur de la bague de
la jauge d'alignement
D diamètre à la tête d'amarrage de la cellule d'alignement cylindrique
e excentricité ou décalage latéral
L longueur calibrée
p
L écartement axial des jauges de déformation
g
L longueur hors tout de la cellule d'alignement, de la jauge d'alignement ou de l'éprouvette d'essai
z
r rayon du congé entre la longueur calibrée et la tête d'amarrage de la cellule d'alignement
ou de l'éprouvette d'essai
t épaisseur de la section réduite de la cellule d'alignement rectangulaire
w largeur de la section réduite de la cellule d'alignement rectangulaire
W largeur au niveau de la tête d'amarrage de la cellule d'alignement rectangulaire
w écartement transversal des jauges de déformation
g
Β pourcentage de flexion
β pourcentage de flexion due aux imperfections inhérentes à la cellule d'alignement
ac
3
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β pourcentage de flexion due à un défaut d'alignement de la machine
mc
ε déformation axiale moyenne
o
ε , ε , etc. relevé des jauges de déformation individuelles (déformation locale)
1 2
ε déformation de flexion (valeur combinée)
b
ε composante de déformation de flexion due aux imperfections inhérentes à la cellule d'ali-
b,ac
gnement
ε composante de déformation de flexion due à un défaut d'alignement de la machine
b,mc
ε déformation de flexion maximale (valeur combinée)
b,max
ε composante de déformation de flexion maximale due aux imperfections inhérentes à la
b,max,ac
cellule d'alignement
ε composante de déformation de flexion maximale due à un défaut d'alignement de la machine
b,max,mc
γ décalage angulaire
θ angle (dans le sens horaire vu de dessus) de l'emplacement de ε par rapport à la jauge 1
ac b,max,ac
(ou un repère permanent à la surface de la cellule d'alignement)
θ angle (dans le sens horaire vu de dessus) de l'emplacement de ε par rapport à l'avant
mc b,max,mc
de la machine (direction R)
5 Exigences relatives aux mesures
5.1 Machine d'essai
Le système d'essai doit comporter un système de mesure de force comprenant un capteur de force
(cellule de charge), des unités de conditionnement et des modules d'affichage. Ce système doit être
conforme aux exigences de la norme ISO 7500-1.
NOTE 1 La classe 1 requiert que les erreurs de force indiquées ne dépassent pas ±1 % de la valeur relevée sur
la plage de vérification.
Il est essentiel que les mors de serrage permettent à la cellule d'alignement une rotation de 180° autour
de son axe longitudinal. La cellule d'alignement doit pouvoir également être repositionnée et amarrée à
plusieurs reprises avec une variation minimale de défaut d'alignement (voir Annexe B).
Il est recommandé, mais non obligatoire, que la machine soit équipée de moyens permettant de régler
les décalages latéraux et angulaires d'une partie du système de mise en charge. Il est également
recommandé de:
a) minimiser le nombre de composants dont ces dispositifs de serrage sont composés afin de réduire
le nombre d'interfaces mécaniques, et
b) maximiser la rigidité latérale de la machine d'essai de fatigue afin de réduire les effets de toute
flexion dite alternée sur les résultats d'essai de fatigue lorsque ces essais impliquent une charge de
compression-traction alternée (voir Référence [1]).
NOTE 2 Voir Annexe C pour savoir comment mesurer la rigidité latérale de la machine.
5.2 Cellule d'alignement
La mesure de l'alignement peut être légèrement affectée par la rigidité de la cellule d'alignement utilisée
dans la mesure (voir Figure 13 dans la Référence [2]); plus la rigidité du dispositif est faible, plus sa
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sensibilité à la mesure de l'alignement de la machine est élevée. Il convient également qu'une bonne
cellule d'alignement soit suffisamment robuste pour durer et permettre des utilisations successives sur
une longue période (c'est-à-dire des années). Il convient de veiller à ce que ces deux exigences soient
respectées correctement.
Dans l'idéal, il convient qu'un matériau de cellule d'alignement comporte:
a) une étendue élastique linéaire suffisamment élevée;
b) un degré important de stabilité métallurgique;
c) une absence de contrainte résiduelle appréciable pour assurer la stabilité dimensionnelle;
d) une bonne résistance à l'oxydation.
Les aciers entièrement trempés, par exemple les aciers alliés avec une limite d'élasticité de 0,2 %
de l'ordre de 1 000 MPa, sont des matériaux candidats idéaux pour les cellules d'alignement (voir
Références [3] et [4]). Les alliages d'aluminium à haute résistance, tels que 7075-T6, figurent parmi les
autres solutions possibles.
5.3 Conception et fabrication
5.3.1 Conception
La cellule d'alignement doit avoir la même longueur hors tout (mais pas nécessairement la même
longueur calibrée et la même section transversale) que l'éprouvette d'essai de fatigue. Elle doit
s'intégrer dans les mors de serrage de la même manière que l'éprouvette d'essai de fatigue afin d'éviter
l'utilisation d'adaptateurs spéciaux. Pour les dispositifs cylindriques, le diamètre, d, ne doit pas être
supérieur à 10 mm ou au diamètre de l'éprouvette d'essai de fatigue, selon la valeur la plus élevée. Les
diamètres standard recommandés sont 5 mm, 7,5 mm et 10 mm.
Les Tableaux 1, 2 et 3 présentent les proportions standard recommandées. Des dimensions de section
transversale plus petites que celles indiquées dans les tableaux peuvent être utilisées sous réserve de la
disponibilité de jauges de déformation appropriées. Les Figures 1 et 2 présentent les exigences relatives
à la concentricité, à la rectitude et au parallélisme (c'est-à-dire les tolérances d'usinage des surfaces qui
ont une incidence sur l'alignement) pour les formes des cellules d'alignement de base.
D'autres géométries et profils sont admissibles, à condition que les principales exigences de la présente
Norme internationale soient respectées. Des variations importantes des dimensions peuvent toutefois
exclure une comparaison significative avec les mesures effectuées à partir des cellules standard
recommandées. Pour les recommandations relatives aux autres géométries et à la conception des têtes
d'amarrage, voir Référence [4].
5.3.2 Dimensions des cellules d'alignement des sections circulaires
Voir Tableau 1 et Figure 1.
Tableau 1 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections circulaires
Dimension
Recommandée
en mm
d 5, 7,5 et 10
L 2,5d
p
r ≥ 2d
D D (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5
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5.3.3 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires épaisses
Voir Tableau 2 et Figure 2.
Tableau 2 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections rectangulaires
épaisses
Dimension
Recommandée
en mm
t 5, 7,5 et 10
w ≥ t
L ≥ 2,5t
p
r 2t à 8t
W W (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5.3.4 Dimensions des cellules d'alignement des sections rectangulaires minces
Voir Tableau 3 et Figure 2.
Tableau 3 — Dimensions nominales des cellules d'alignement des sections rectangulaires
minces
Dimension
Recommandée
en mm
t 2, 3, 4
w ≥ 5t
L ≥ 2,5t
p
r 2t à 8t
W W (éprouvette d'essai)
L L (éprouvette d'essai)
z z
Rugosité de surface de section réduite: 0,8 μm à 1,6 μm.
5.4 Usinage
Des passes petites et décroissantes avec un apport suffisant de liquide de refroidissement doivent
être utilisées pour la finition de sorte que la structure et les propriétés métallurgiques ne soient pas
affectées et que des contraintes résiduelles indues ne soient pas induites dans le matériau de la cellule.
Pour l'adhérence effective des jauges de déformation, la finition de surface optimale de la cellule
d'alignement doit être comprise entre 0,8 μm et 1,6 μm (voir Référence [4]).
NOTE La rugosité de surface des éprouvettes d'essai de fatigue se situe généralement entre 0,2 μm et 0,4 μm.
5.5 Inspection avant fixation des jauges de déformation
La cellule d'alignement doit être inspectée avec soin (à l'aide d'instruments tels qu'un projecteur de
profil ou un comparateur) et toutes les dimensions critiques et les tolérances géométriques associées
doivent être confirmées avant la fixation des jauges de déformation, afin d'assurer que toutes les
exigences géométriques sont satisfaites. Une fois les jauges de déformation fixées, il n'est plus possible
d'inspecter la cellule d'alignement à l'aide de ces méthodes.
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5.6 Instrumentation à l'aide de jauges de déformation
Un ensemble de huit jauges de déformation (disposées en deux séries de quatre) doit être numéroté
et positionné comme indiqué à la Figure 3 (voir Références [4] et [5]). Pour les cellules d'alignement
cylindriques [voir Figure 3 a)], les jauges de déformation doivent être espacées à intervalles égaux de
90°, autour de la circonférence de la cellule d'alignement. La configuration représentée à la Figure 3 b)
est appropriée pour les cellules d'alignement rectangulaires avec un rapport largeur/épaisseur w:t < 3.
Pour des valeurs w:t supérieures, les jauges peuvent être placées par paires dos à dos et équidistants
par rapport à l'axe de la cellule d'alignement, comme illustré à la Figure 3 c). Les jauges de déformation
doivent toutes correspondre, c'est-à-dire qu’elles doivent provenir du même lot de fabrication. Leur
longueur active recommandée doit être d'environ 0,1 L ou moins.
c
Les paramètres de mesure d'alignement de la présente Norme internationale sont déterminés à partir
des rapports des déformations mesurées et, par conséquent, il convient qu’ils ne soient généralement
pas affectés par les variations de température. Il est recommandé d'utiliser des jauges de déformation
à compensation thermique automatique adaptées au matériau de la cellule d'alignement, en particulier
si une détermination précise de la déformation axiale moyenne absolue, comme dans la mesure du
module, est également nécessaire.
En référence à la Figure 3, le Tableau 4 indique les emplacements pour positionner les jauges de
déformation à la surface de la cellule d'alignement.
Tableau 4 — Emplacements des jauges de déformation
Dimension Exigence
L = 0,75 L
g c
w = 0,75 w
g
NOTE La distance L = 0,75 L représente l’écartement maximal réalisable pour minimiser les effets dus à
g c
la concentration de contrainte associée au changement de section aux extrémités de la longueur calibrée de la
cellule d'alignement.
Il convient de prendre soin de choisir les jauges de déformation conformément aux recommandations
du fabricant. Il est également important de s'assurer que les jauges sont collées selon le mode opératoire
recommandé par le fabricant. Les jauges de déformation doivent être situées aux emplacements
spécifiés à 0,10 mm ou 0,01 fois près le diamètre ou la largeur de la cellule d'alignement, selon la valeur
la plus élevée. Leurs axes de mesure doivent être alignés à 2° près par rapport à l'axe longitudinal de
la cellule d'alignement. Après l'installation, l'alignement des jauges doit être vérifié et confirmé à l'aide
d'un instrument approprié tel qu'un projecteur optique à mesure angulaire ou un réticule circulaire
dans un microscope de faible puissance avant d'appliquer tout revêtement protecteur.
Le système de mesure et d'acquisition de données de déformation (à l'exclusion de la cellule
d'alignement) doit être étalonné, le cas échéant. Les résistances de mesure et/ou tout autre moyen
u
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.