ISO 26203-1:2010
(Main)Metallic materials — Tensile testing at high strain rates — Part 1: Elastic-bar-type systems
Metallic materials — Tensile testing at high strain rates — Part 1: Elastic-bar-type systems
The two parts of ISO 26203 specify methods for testing metallic sheet materials to determine the stress‑strain characteristics at high strain rates. ISO 26203-1:2010 covers the use of elastic-bar-type systems. The strain-rate range between 10-3 to 103 s-1 is considered to be the most relevant to vehicle crash events based on experimental and numerical calculations such as the Finite Elemental Analysis (FEA) work for crashworthiness. In order to evaluate the crashworthiness of a vehicle with accuracy, reliable stress-strain characterization of metallic materials at strain rates higher than 10-3 s-1 is essential. The test method in ISO 26203-1:2010 covers the strain-rate range above 102 s-1.
Matériaux métalliques — Essai de traction à vitesses de déformation élevées — Partie 1: Systèmes de type à barre élastique
L'ISO 26203-1:2010 spécifie des méthodes pour les essais des tôles de matériaux métalliques en vue de déterminer les caractéristiques contrainte-déformation à vitesses de déformation élevées. L'ISO 26203-1:2010 couvre l'utilisation des systèmes d'essai de type à barre élastique. La gamme de vitesses de déformation entre 10-3 s-1 et 103 s-1 est considérée être la plus pertinente pour les accidents de véhicule sur la base de calculs expérimentaux et numériques tels que le travail d'analyse par éléments finis (AEF) pour le comportement en cas d'accident. De façon à évaluer le comportement des véhicules en cas d'accident avec précision, une caractérisation fiable des caractéristiques contrainte-déformation des matériaux métalliques à des vitesses de déformation supérieures à 10-3 s-1 est essentielle. La méthode d'essai dans l'ISO 26203-1:2010 couvre la gamme de vitesses de déformation au dessus de 102 s-1.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 26203-1
First edition
2010-02-15
Metallic materials — Tensile testing at
high strain rates —
Part 1:
Elastic-bar-type systems
Matériaux métalliques — Essai de traction à vitesses de déformation
élevées —
Partie 1: Systèmes de type à barre élastique
Reference number
ISO 26203-1:2010(E)
©
ISO 2010
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ISO 26203-1:2010(E)
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ISO 26203-1:2010(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Principles.1
4 Terms and definitions .2
5 Symbols and designations.2
6 Apparatus.4
7 Test piece .5
7.1 Test-piece shape, size and preparation .5
7.2 Typical test piece.7
8 Calibration of the apparatus.8
8.1 General .8
8.2 Displacement measuring device.9
9 Procedure.9
9.1 General .9
9.2 Mounting the test piece .9
9.3 Applying force .9
9.4 Measuring and recording.9
10 Evaluation of the test result .11
11 Test report.12
Annex A (informative) Quasi-static tensile testing method.14
Annex B (informative) Example of one-bar method .16
Annex C (informative) Example of split Hopkinson bar (SHB) method.23
Bibliography.31
© ISO 2010 – All rights reserved iii
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ISO 26203-1:2010(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 26203-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee
SC 1, Uniaxial testing.
ISO 26203 consists of the following parts, under the general title Metallic materials — Tensile testing at high
strain rates:
⎯ Part 1: Elastic-bar-type systems
⎯ Part 2: Servo-hydraulic and other test systems
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ISO 26203-1:2010(E)
Introduction
Tensile testing of metallic sheet materials at high strain rates is important to achieve a reliable analysis of
3 −1
vehicle crashworthiness. During a crash event, the maximum strain rate often reaches 10 s , at which the
strength of the material can be significantly higher than that under quasi-static loading conditions. Thus, the
reliability of crash simulation depends on the accuracy of the input data specifying the strain-rate sensitivity of
the materials.
Although there are several methods for high-strain rate testing, solutions for three significant problems are
required.
The first problem is the noise in the force measurement signal.
⎯ The test force is generally detected at a measurement point on the force measurement device that is
located some distance away from the test piece.
⎯ Furthermore, the elastic wave which has already passed the measurement point returns there by
reflection at the end of the force measurement device. If the testing time is comparable to the time for
wave propagation through the force measurement device, the stress-strain curve may have large
oscillations as a result of the superposition of the direct and indirect waves. In quasi-static testing,
contrarily, the testing time is sufficiently long to have multiple round-trips of the elastic wave. Thus, the
force reaches a saturated state and equilibrates at any point of the force measurement device.
⎯ There are two opposing solutions for this problem.
⎯ The first solution is to use a short force measurement device which will reach the saturated state
quickly. This approach is often adopted in the servo-hydraulic type system.
⎯ The second solution is to use a very long force measurement device which allows the completion of
a test before the reflected wave returns to the measurement point. The elastic-bar type system is
based on the latter approach.
The second problem is the need for rapid and accurate measurements of displacement or test piece
elongation.
⎯ Conventional extensometers are unsuitable because of their large inertia. Non-contact type methods such
as optical and laser devices should be adopted. It is also acceptable to measure displacements using the
theory of elastic wave propagation in a suitably-designed apparatus, examples of which are discussed in
this document.
⎯ The displacement of the bar end can be simply calculated from the same data as force measurement, i.e.
the strain history at a known position on the bar. Thus, no assessment of machine stiffness is required in
the elastic-bar-type system.
The last problem is the inhomogeneous section force distributed along the test piece.
⎯ In quasi-static testing, a test piece with a long parallel section and large fillets is recommended to achieve
a homogeneous uniaxial-stress state in the gauge section. In order to achieve a valid test with force
equilibrium during the dynamic test, the test piece must be designed differently from the typically
designed quasi-static test piece. Dynamic test pieces must generally be smaller in the dimension parallel
to the loading axis than the test pieces typically used for quasi-static testing.
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ISO 26203-1:2010(E)
The elastic-bar-type system can thus provide solutions for dynamic testing problems and is widely used to
3 −1
obtain accurate stress-strain curves at around 10 s . The International Iron and Steel Institute developed the
“Recommendations for Dynamic Tensile Testing of Sheet Steel” based on the interlaboratory test conducted
by various laboratories. The interlaboratory test results show the high data quality obtained by the elastic-bar
type system. The developed knowledge on the elastic-bar-type system is summarized in this part of
ISO 26203; part 2 of ISO 26203 covers servo-hydraulic and other test systems used for high-strain-rate tensile
testing.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 26203-1:2010(E)
Metallic materials — Tensile testing at high strain rates —
Part 1:
Elastic-bar-type systems
1 Scope
This International Standard specifies methods for testing metallic sheet materials to determine the
stress-strain characteristics at high strain rates. This part of ISO 26203 covers the use of elastic-bar-type
systems.
−3 3 −1
The strain-rate range between 10 to 10 s is considered to be the most relevant to vehicle crash events
based on experimental and numerical calculations such as the Finite Element Analysis (FEA) work for
crashworthiness.
In order to evaluate the crashworthiness of a vehicle with accuracy, reliable stress-strain characterization of
−3 −1
metallic materials at strain rates higher than 10 s is essential.
2 −1
This test method covers the strain-rate range above 10 s .
−1 −1
NOTE 1 At strain rates lower than 10 s , a quasi-static tensile testing machine that is specified in ISO 7500-1 and
ISO 6892-1 can be applied.
NOTE 2 This testing method may be applied to tensile test-piece geometries other than the flat test pieces considered
here.
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 6892-1, Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature
3 Principles
The stress-strain characteristics of metallic materials at high strain rates are evaluated.
−1
At a strain rate higher than 10 s , the signal of the loading force is greatly perturbed by multiple passages of
waves reflected within the load cell that is used in the quasi-static test. Thus, special techniques are required
for force measurement. This may be accomplished in two opposite ways:
⎯ one is to lengthen the force measurement device in the loading direction, in order to finish the
measurement before the elastic wave is reflected back from the other end (elastic-bar type systems);
⎯ another way is to shorten the force measurement device, thus reducing the time needed to attain dynamic
equilibrium within the force measurement device and realizing its higher natural frequency
(servo-hydraulic type systems).
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ISO 26203-1:2010(E)
−1 −1
Tests at low strain rates (under 10 s ) can be carried out using a quasi-static tensile testing machine.
However, special considerations are required when this machine is used for tests at strain rates higher than
conventional ones. It is necessary to use a test piece specified for high-strain-rate testing methods. Annex A
provides details of the test procedure for this practice.
4 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
4.1
elastic-bar-type system
measuring system in which the force-measuring device is lengthened in the axial direction to prevent force
measurement from being affected by waves reflected from the ends of the apparatus
NOTE The designation “elastic-bar-type system” comes from the fact that this type of system normally employs a
long elastic bar as force-measuring device.
5 Symbols and designations
Symbols and corresponding designations are given in Table 1.
Table 1 — Symbols and designations
Symbol Unit Designation
Test piece
a mm Original thickness of a flat test piece
o
b mm Original width of the parallel length of a flat test piece
o
b mm Width(s) of the grip section of a test piece
g
L mm Original gauge length [see 7.1 e)]
o
L mm Parallel length
c
L mm Total length that includes the parallel length and the shoulders
total
L mm Final gauge length after fracture
u
r mm Radius of the shoulder
2
S mm Original cross-sectional area of the parallel length
o
2
S mm Cross-sectional area of the elastic bar
b
Time
t s Time
Elongation
Percentage elongation after fracture
NOTE With non-proportional test pieces, the symbol A is supplemented with an index which
A %
shows the basic initial measured length in millimetres, e.g. A = Percentage elongation after fracture
20mm
with an original gauge length L = 20 mm
o
A % Specified upper limit of percentage elongation for mean strain rate
u
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ISO 26203-1:2010(E)
Table 1 (continued)
Symbol Unit Designation
Displacement
u mm Displacement by the elastic wave
u mm Displacement at the end of the original gauge length
1
u mm Displacement at the end of the original gauge length
2
u (t) mm Displacement of the end of the elastic bar at time t
B
Strain
e — Engineering strain
e — Desired engineering strain before achieving equilibrium
s
ε — Elastic strain
ε — Elastic strain at the end of the elastic bar (see Annex B)
B
ε — Elastic strain at section C (see Annex B)
g
Strain rate
−1
e s Engineering strain rate
−1
e s Mean engineering strain rate
Force
F N Force
F N Maximum force
m
Stress
R MPa Engineering stress
R MPa Tensile strength
m
R MPa Proof strength, total extension
t
Modulus of elasticity
E MPa Modulus of elasticity
E MPa Modulus of elasticity of the bar
b
Wave velociy
−1
c mm s Velocity of the wave propagation in the elastic bar
0
−1
c mm s Elastic wave propagation velocity in the test piece
Velocity
−1
v (t) mm s Velocity of the impact block (see Annex B)
A
−1
v mm s Particle velocity at any point in the bar (see Annex C)
−1
v mm s Incident particle velocity (see Annex C)
i
−1
v mm s Reflected particle velocity (see Annex C)
r
−1
v mm s Transmitted particle velocity (see Annex C)
t
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ISO 26203-1:2010(E)
6 Apparatus
6.1 Elastic bar. By using a long elastic bar, the test should be finished before the elastic wave is reflected
back from the other end of the bar that is on the opposite side of the test piece. Consequently, the force can
be measured without being perturbed by the reflected waves. For this method, the one-bar testing machine
and the split Hopkinson bar (SHB) testing machine are normally used (see Annex B and Annex C).
6.2 Input device. For the input method, open-loop-type loading is normally applied. The upper limit of the
−1
input speed is approximately 20 m s . For the SHB testing machine, a striker tube or striker bar is used. For
the one-bar testing machine, a hammer is normally used.
6.3 Clamping mechanism. A proper clamping mechanism (a method for connecting a test piece and an
elastic bar) is critical to data quality (see Annex B and Annex C).
The clamping fixtures for the SHB or one-bar testing machines are mounted directly on the elastic bars. The
clamping fixtures should be of the same material and diameter as the elastic bars to ensure minimal
impedance change when the stress wave propagates through the loading train. If a different material or size is
used, proper consideration should be made in the evaluation of stress and strain.
6.4 Force measurement device. Force should be measured by strain gauges of a suitably short gauge
length, typically 2 mm, attached to elastic bars that are directly connected with the test piece.
The location of the strain gauges should be in an area where the elastic wave is not influenced by end effects.
In order to measure a one-dimensional elastic wave, the strain gauges shall be attached at a distance at least
five times the diameter of the bars from the ends of the bars (see Annex B and Annex C).
2 −1
NOTE The measurable strain-rate range by this method is 10 s or higher. It is impractical to construct a testing
2 −1
machine for strain rates below 10 s , because bar lengths of several tens of metres in length would be required.
To ensure the validity of stress-strain curves, the straightness of the elastic bars is crucial. Proper supports or
guides for the elastic bars are essential in achieving this.
6.5 Displacement measurement device. Strain in the tensile test is represented by the ratio between the
relative displacement between two points in the gauge section, e.g. the initial and final gauge lengths of the
test piece. Generally, in quasi-static testing, an extensometer attached to the gauge section of the test piece is
used and the measurement is accurate. However, at high strain rates, it is impossible to use this method due
to the inertia effects of the extensometer. Thus, displacement or test piece elongation measurement at high
strain rates shall use the non-contact type devices or strain gauges on elastic bars.
Measuring devices that can be utilized for measuring displacement in elastic-bar-type systems are described
3 −1
in 6.5.1 to 6.5.3. These devices are recommended for strain rates up to 10 s and measured displacements
should be recorded for the duration of the test. These devices may be used in combination. For example,
when devices 6.5.1 and 6.5.3 are used in combination, the displacement at one end of the original gauge
length (L ) is measured by the noncontact-type displacement gauge (6.5.1) and the other end is measured by
o
the strain gauge (6.5.3) that is attached on the surface of the bar.
6.5.1 Noncontact-type displacement gauge. The displacement at one end of the original gauge length
(L ) is measured and recorded by laser, optical or similar devices.
o
By using two 6.5.1 type devices or one 6.5.1 type device and one 6.5.3 type device, the variation of L in
total
Figure 1 (type-A test piece in Clause 7) with time can be measured and the elongation can be calculated.
6.5.2 Noncontact-type extensometer. High-speed cameras, Doppler or laser extensometers, or other
non-contact systems can be applied for measuring the variation of L in Figure 2 (type-B test piece in
c
Clause 7).
6.5.3 Strain gauge. The variation of displacement of the end of the elastic bar with time should be
calculated using Equation (1) which is based on the strain history measured by the strain gauge attached to
the elastic bar.
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ISO 26203-1:2010(E)
t
ut() =c ε (t)dt (1)
B0 B
∫
0
where
u (t) is the displacement of the end of the elastic bar at time t;
B
ε is the elastic strain at the end of the elastic bar (see Annex B);
B
c is the velocity of the wave propagation in the elastic bar.
0
6.6 Data acquisition instruments. Amplifiers and data recorders such as oscilloscopes are used to assess
stress-strain curves from raw signals. Each instrument should have a sufficiently high frequency response.
The frequency response of all elements in the electronic measurement system must be selected to ensure
that all recorded data are not negatively influenced by the frequency response of any individual component;
typically this requires minimum frequency response on the order of 500 kHz. For digital data recorders, the
minimum resolution of measured data should be 10 bits.
7 Test piece
7.1 Test-piece shape, size and preparation
Test-piece geometry is determined by the following requirements.
a) The required maximum strain rate determines the parallel length. A test piece of shorter length can
achieve higher strain rates. In order to achieve force equilibrium in the test piece, the parallel length
should be short enough at a given strain-rate range.
3 −1
b) In order to assure equilibrium of forces at the strain rates up to 10 s , the preferred parallel length is
less than 20 mm.
Uniform deformation over the parallel length of the test piece requires that the force should be
equilibrated at both ends of the test piece. Force propagates as an elastic wave. To achieve equilibrium,
at least the following inequality should be satisfied.
L e
cs
u (2)
ce
where
L is the parallel length of the test piece;
c
c is the elastic wave propagation velocity in the test piece;
e is the desired engineering strain before achieving equilibrium;
s
e is the testing strain rate.
c) The width of the test piece should be determined to obtain uniaxial stress during the test. The following
rule should be applied:
L
o
W 2 (3)
b
o
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ISO 26203-1:2010(E)
b
o
W 2 (4)
a
o
where
a is the original thickness of a flat test piece;
o
b is the original width of the parallel length of a flat test piece;
o
L is the original gauge length.
o
d) Generally, unless impractical or unnecessary, the thickness of the test piece should be the full thickness
of the material as far as testing capacity permits.
e) The radius at the shoulder of the type-A test piece (see Figure 1) should be small enough that L is
total
considered as the original gauge length (L ). The radius at the shoulder of the type-B test piece (see
o
Figure 2) should be large enough that L is considered as the original gauge length (L ).
c o
For type-A and type-B test pieces, uncertainties exist in uniaxial tensile data calculated from bar
displacement. These uncertainties result from the non-uniformity of axial strain within the original gauge
length, used here as the reference gauge length for strain calculations. To assess the potential effects of
strain non-uniformity, it is recommended that two sets of quasi-static true-stress versus true-strain data be
compared, i.e.
1) one obtained from strain measurements based on bar displacements (i.e. the displacements at the
bar-end positions on the test piece) and referenced to L or L for the selected high strain-rate test
total o
piece geometry, and
2) the other obtained from strain measurements with an extensometer mounted to the central part of the
parallel reduced section of a conventional tensile test piece conforming to ISO 6892-1.
The result of this comparison should be incorporated in the test report to provide an assessment to
potential users of high-strain-rate tensile data obtained with this specification. If the difference is outside
of a value agreed by the user and tester, then strain measurements based on local strain measurements
within the gauge length should be used.
f) The grip should have a much larger cross section than that of the parallel length of the test piece to
ensure negligible deformation and definitely no plastic deformation at the grip zone. Usually, because the
thicknesses of the grip and gauge length of the test piece are the same, the ratio of the grip and the
gauge length width shall comply with the following rule
bR
ot
< (5)
bR
gm
where
b is the original width of the parallel length of a flat test piece;
o
b is the width of the grip section of a test piece;
g
R is the tensile strength;
m
R is the proof strength, total extension.
t
g) Machined surface should be free of cold work, cracks, notches and other surface defects, which can
cause stress concentration.
6 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 26203-1:2010(E)
Key
b original width of the parallel length
o
b width of the grip section
g
L parallel length
c
L total length that includes the parallel length and the shoulders
total
r radius of the shoulder
Figure 1 — Type-A test piece
Key
b original width of the parallel length
o
b width of the grip section
g
L parallel length
c
r radius of the shoulder
Figure 2 — Type-B test piece
7.2 Typical test piece
Recommended dimensions of test pieces are shown in Figures 3 and 4. The ratio between the widths of the
grip and gauge section is normally above 2.
Based on the test methods and/or test purposes, other test piece configurations can be used.
The typical test pieces in Figures 3 and 4 are appropriate when the maximum measured strain rate is up to
3 −1
10 s and when the comparison of test results obtained at several strain rates is required. During uniform
elongation, the size effect of a test piece would be small. However, because after uniform elongation,
measured properties depend on the test-piece size, it is recommended that all test pieces used to obtain a
single data set should have the same geometry and dimensions, even for the low-strain-rate tests.
© ISO 2010 – All rights reserved 7
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ISO 26203-1:2010(E)
Dimensions in millimetres
b
maximum 5
o
L
10
total
r 1,5
Figure 3 — Typical dimensions of a type-A test piece
Dimensions in millimetres
b maximum 5
o
L 10
c
r 5,0
Figure 4 — Typical dimensions of a type-B test piece
8 Calibration of the apparatus
8.1 General
The output of the strain gauge should be calibrated by applying a known static force to the strain gauged
elastic bar. Figure B.1 shows an example of the one-bar testing machine.
In the case of the SHB testing machine, stress and strain can be calculated by applying the theoretical
equation with the density, modulus of elasticity and the transmission speed of the longitudinal wave in the
elastic bar. In this case, it is necessary to carry out tests after precisely measuring each physical property and
ensuring its consistency. (Details are given in Annex C.)
8 © ISO 2010 – All rights reserved
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ISO 26203-1:2010(E)
8.2 Displacement measuring device
For the displacement measuring devices, the appropriate calibration shall be carried out in the static condition.
9 Procedure
9.1 General
Using the input device (6.2), high speed strain is applied on the test piece along the axial direction of the test
piece. The force applied to the test piece is measured by the force measurement device (6.4). At the same
instance, the variation of L , L or L of the test piece is measured by the displacement measurement
total c o
device (6.5).
The configuration of the test piece should be determined based on the designated strain-rate range, the input
device (6.2), the force measurement device (6.4), and displacement measurement device (6.5).
The test is carried out at room temperature between 10 °C and 35 °C, unless otherwise specified. Th
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 26203-1
Première édition
2010-02-15
Matériaux métalliques — Essai de
traction à vitesses de déformation
élevées —
Partie 1:
Systèmes de type à barre élastique
Metallic materials — Tensile testing at high strain rates —
Part 1: Elastic-bar-type systems
Numéro de référence
ISO 26203-1:2010(F)
©
ISO 2010
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ISO 26203-1:2010(F)
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ISO 26203-1:2010(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Principes.1
4 Termes et définitions .2
5 Symboles et désignations .2
6 Appareillage .4
7 Éprouvette.5
7.1 Forme, dimensions et préparation des éprouvettes.5
7.2 Éprouvettes typiques .8
8 Étalonnage des appareils .9
8.1 Généralités .9
8.2 Dispositif de mesure du déplacement.9
9 Mode opératoire.9
9.1 Généralités .9
9.2 Montage de l'éprouvette .9
9.3 Application de la force.9
9.4 Mesures et enregistrements.10
10 Évaluation des résultats d'essai.11
11 Rapport d'essai.13
Annexe A (informative) Méthode d'essai de traction quasi statique .14
Annexe B (informative) Un exemple de méthode à barre unique .16
Annexe C (informative) Exemple de la méthode avec barre d'Hopkinson (SHB).23
Bibliographie.31
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ISO 26203-1:2010(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 26203-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,
sous-comité SC 1, Essais uniaxiaux.
L'ISO 26203 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Matériaux métalliques — Essai
de traction à vitesses de déformation élevées:
⎯ Partie 1: Systèmes de type à barre élastique
⎯ Partie 2: Systèmes d'essai servo-hydrauliques et autres systèmes d'essai
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ISO 26203-1:2010(F)
Introduction
Les essais de traction sur tôles de matériaux métalliques à des vitesses de déformation élevées sont
importants pour réaliser une analyse fiable du comportement des véhicules en cas d'accident. Lors d'un
3 −1
accident, la vitesse maximale de déformation atteint souvent 10 s , vitesse à laquelle la résistance du
matériau peut être significativement supérieure à celle obtenue en conditions de chargement quasi-statiques.
Par suite, la fiabilité de la simulation d'un accident dépend de l'exactitude des données d'entrée spécifiant la
sensibilité des matériaux à la vitesse de déformation.
Bien qu'il existe plusieurs méthodes pour les essais à vitesse de déformation élevée, des solutions sont
nécessaires pour traiter trois problèmes significatifs.
Le premier problème vient du bruit dans le signal de mesure de la force.
⎯ La force d'essai est généralement détectée en un point de mesure sur le dispositif de mesure de la force,
situé à une certaine distance de l'éprouvette.
⎯ De plus, l'onde élastique qui a déjà franchi le point de mesure y revient par réflexion à l'extrémité du
dispositif de mesure de la force. Si le temps d'essai est comparable au temps de propagation de l'onde
au travers du dispositif de mesure de la force, la courbe contrainte-déformation peut présenter de
grandes oscillations résultant de la superposition d'ondes directes et indirectes. Lors des essais
quasi-statiques, a contrario, le temps d'essai est suffisamment long pour qu'il y ait un grand nombre
d'allers et retours de l'onde élastique. De ce fait, la force atteint un état de saturation et s'équilibre en tout
point du dispositif de mesure de la force.
⎯ Il y a deux solutions opposées pour ce problème.
⎯ L'une d'elles consiste à utiliser un dispositif de mesure de la force, de courte longueur ce qui
permettra d'atteindre l'état de saturation rapidement. Cette approche est souvent adoptée dans le
système de type servo-hydraulique.
⎯ L'autre solution consiste à utiliser un dispositif de mesure de la force, de très grande longueur ce qui
permet de terminer un essai avant que l'onde réfléchie atteigne le point de mesure. Le système de
type à barre élastique est basé sur cette dernière approche.
Le deuxième problème est la nécessité de mesurages rapides et précis du déplacement ou de l'allongement
de l'éprouvette.
⎯ Les extensomètres conventionnels ne conviennent pas du fait de leur grande inertie. Il convient d'utiliser
des méthodes de type sans contact, tels que dispositifs optiques ou à laser. Il est également acceptable
de mesurer les déplacements en utilisant la théorie de la propagation d'une onde élastique dans un
appareillage convenablement conçu, dont des exemples sont présentés dans le présent document.
⎯ Le déplacement de l'extrémité de la barre peut être simplement calculé seulement à partir des mêmes
données que celles pour la mesure de force, c'est-à-dire l'histoire des déformations en un point connu de
la barre. De ce fait, il n'est pas requis d'évaluation de la rigidité de la machine pour le système à barre
élastique.
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ISO 26203-1:2010(F)
Le dernier problème est la répartition non homogène de la force dans la section le long de l'éprouvette.
⎯ Pour des essais quasi-statiques, une éprouvette avec une grande longueur calibrée et de grands
filetages est recommandée pour obtenir un état de contrainte uniaxiale, homogène dans la section
calibrée. Afin d'obtenir un essai valable avec un équilibre de la force pendant l'essai dynamique,
l'éprouvette doit être conçue de manière différente que l'éprouvette typiquement conçue pour les essais
quasi-statiques. Les éprouvettes pour essais dynamiques doivent être généralement plus courtes pour la
dimension parallèle à l'axe de chargement que les éprouvettes typiquement utilisées pour les essais
quasi-statiques.
Le système à barre élastique peut alors apporter des solutions pour répondre aux problèmes des essais
dynamiques et est largement utilisé pour obtenir des courbes contrainte-déformation précises à environ
3 −1
10 s . L'International Iron and Steel Institute a developpé des «Recommendations for Dynamic Tensile
Testing of Sheet Steel» fondées sur des essais interlaboratoires réalisés par différents laboratoires. Les
résultats des essais interlaboratoires montrent la grande qualité des données obtenues par les systèmes de
type à barre élastique. La connaissance rassemblée pour les systèmes de type à barre élastique est résumée
dans la présente partie de l'ISO 26203, alors que l'ISO 26203-2 couvre les système servo-hydrauliques et les
autres systèmes d'essais de traction à vitesse de déformation élevée.
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NORME INTERNATIONALE ISO 26203-1:2010(F)
Matériaux métalliques — Essai de traction à vitesses de
déformation élevées —
Partie 1:
Systèmes de type à barre élastique
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie des méthodes pour les essais des tôles de matériaux métalliques
en vue de déterminer les caractéristiques contrainte-déformation à vitesses de déformation élevées. La
présente partie de l'ISO 26203 couvre l'utilisation des systèmes d'essai de type à barre élastique.
−3 −1 3 −1
La gamme de vitesses de déformation entre 10 s et 10 s est considérée être la plus pertinente pour les
accidents de véhicule sur la base de calculs expérimentaux et numériques tels que le travail d'analyse par
éléments finis (AEF) pour le comportement en cas d'accident.
De façon à évaluer le comportement des véhicules en cas d'accident avec précision, une caractérisation
fiable des caractéristiques contrainte-déformation des matériaux métalliques à des vitesses de déformation
−3 −1
supérieures à 10 s est essentielle.
2 −1
La présente méthode d'essai couvre la gamme de vitesses de déformation au dessus de 10 s .
−1 −1
NOTE 1 À des vitesses de déformation inférieures à 10 s , une machine d'essai de traction quasi-statique, spécifiée
dans l'ISO 7500-1 et l'ISO 6892-1 peut être utilisée.
NOTE 2 Cette méthode d'essai peut être appliquée aux géométries d'éprouvettes de traction autres que les
éprouvettes plates considérées ici.
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 6892-1, Matériaux métalliques — Essai de traction — Partie 1: Méthode d'essai à température ambiante
3 Principes
Les caractéristiques contrainte déformation des matériaux métalliques à vitesse de déformation élevées sont
évaluées.
−1
À une vitesse de déformation supérieure à 10 s , le signal de la force est très perturbé par les passages
multiples des ondes réfléchies à l'intérieur du capteur de force qui est utilisé pour les essais quasi-statiques.
De ce fait, des techniques spéciales sont requises pour la mesure de la force. Ceci peut être réalisé de deux
manières opposées:
⎯ l'une consiste à allonger le dispositif de mesure de la force dans la direction de chargement, de façon à
terminer la mesure avant que l'onde élastique soit réfléchie à l'autre extrémité (systèmes de type à barre
élastique);
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ISO 26203-1:2010(F)
⎯ une autre façon consiste à raccourcir le dispositif de mesure de la force, réduisant ainsi le temps
nécessaire pour atteindre un équilibre dynamique à l'intérieur du dispositif de mesure de la force et
réalisant sa fréquence naturelle plus élevée (systèmes de type servo-hydraulique).
−1 −1
Les essais à basse vitesse de déformation (en dessous de 10 s ) peuvent être réalisés avec une machine
d'essai de traction quasi-statique. Cependant, des dispositions spéciales sont nécessaires, lorsque cette
machine est utilisée pour des essais à des vitesses de déformation supérieures aux vitesses conventionnelles
sur des éprouvettes spécifiées pour des méthodes d'essai à vitesse de déformation élevée. L'Annexe A
donne des détails du mode opératoire d'essai dans le cas d'une telle pratique.
4 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
4.1
système de type à barre élastique
système de mesure dans lequel le dispositif de mesure de la force est raccourci dans la direction axiale pour
éviter que la mesure de la force soit affectée par les ondes réfléchies aux extrémités de l'appareillage
NOTE Comme ces systèmes utilisent normalement une longue barre élastique comme dispositif de mesure de la
force, ils sont désignés «systèmes de type à barre élastique».
5 Symboles et désignations
Les symboles et désignations correspondantes sont donnés dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles et désignations
Symbole Unité Désignation
Éprouvette
a mm Épaisseur initiale d'une éprouvette plate
o
b mm Largeur initiale de la longueur calibrée d'une éprouvette plate
o
b mm Largeur(s) de la zone d'amarrage d'une éprouvette
g
L mm Longueur de base initiale [voir 7.1 e)]
o
L mm Longueur calibrée
c
L mm Longueur totale qui inclut la longueur calibrée et les raccordements
total
L mm Longueur de base finale après rupture
u
2
S mm Aire initiale de la section transversale de la longueur calibrée
o
2
S mm Aire de la section transversale de la barre élastique
b
Temps
t s Temps
Allongement
Allongement pour cent après rupture
NOTE Avec des éprouvettes non proportionnelles, le symbole A est complété par un indice qui
A %
indique la longueur de base initiale mesurée en millimètres, par exemple: A = Allongement pour
20mm
cent après rupture avec une longueur de base initiale L = 20 mm
o
Limite supérieure de l'allongement pour cent spécifiée pour la vitesse moyenne de
A %
u
déformation
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Tableau 1 (suite)
Symbole Unité Désignation
Déplacement
u mm Déplacement par l'onde élastique
u mm Déplacement à l'extrémité de la longueur de base initiale
1
u mm Déplacement à l'extrémité de la longueur de base initiale
2
u (t) mm Déplacement de l'extrémité de la barre élastique au temps t
B
Déformation
e — Déformation conventionnelle
e — Déformation conventionnelle désirée avant d'atteindre l'équilibre
s
ε — Déformation élastique
ε — Déformation élastique à l'extrémité de la barre élastique (voir Annexe B)
B
ε — Déformation élastique dans la section C (voir Annexe B)
g
Vitesse de déformation
−1
e s Vitesse de déformation conventionnelle
−1
e s Vitesse moyenne de déformation conventionnelle
Force
F N Force
F N Force maximale
m
Contrainte
R MPa Contrainte conventionnelle
R MPa Résistance à la traction
m
R MPa Limite d'extension
t
Module d'élasticité
E MPa Module d'élasticité
E MPa Module d'élasticité de la barre
b
Vitesse de l'onde
−1
c mm s Vitesse de propagation de l'onde dans la barre élastique
0
−1
c mm s Vitesse de propagation de l'onde dans l'éprouvette
Vitesse
−1
v (t) mm s Vitesse du bloc de percussion (voir Annexe B)
A
−1
v mm s Vitesse de la particule en tout point de la barre
−1
v mm s Vitesse de la particule incidente (voir Annexe C)
i
−1
v mm s Vitesse de la particule réfléchie (voir Annexe C)
r
−1
v mm s Vitesse de la particule transmise (voir Annexe C)
t
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6 Appareillage
6.1 Barre élastique. En utilisant une longue barre élastique, il convient que l'essai soit terminé avant que
l'onde élastique soit réfléchie à l'autre extrémité de la barre, à l'opposé de l'éprouvette. Par suite, la force peut
être mesurée sans être perturbée par les ondes réfléchies. Pour cette méthode, on utilise normalement une
machine d'essai à barre unique ou une machine d'essai à barre d'Hopkinson (SHB) (voir Annexes B et C).
6.2 Dispositif d'entrée. Pour la méthode d'entrée, un chargement de type en boucle ouverte est
−1
normalement appliqué. La limite supérieure de la vitesse d'entrée est approximativement de 20 m s . Pour
les machines d'essai SHB, un tube ou une barre de percussion est utilisé. Pour les machines d'essai à barre
unique, on utilise normalement un marteau.
6.3 Méthode d'amarrage. Un mécanisme d'amarrage approprié (méthode pour connecter une éprouvette
et une barre élastique) est un facteur critique sur la qualité des données (voir Annexes B et C).
Les ancrages pour les machines d'essai SHB ou à barre unique sont montés directement sur les barres
élastiques. Il convient que les ancrages soient faits dans le même matériau et qu'ils aient le même diamètre
que les barres élastiques pour assurer un changement minimal de l'impédance lorsque l'onde de contrainte se
propage dans le train de chargement. Si on utilise un matériau différent ou une dimension différente, il
convient d'en tenir effectivement compte dans l'évaluation des contraintes et déformations.
6.4 Dispositif de mesurage de la force. Il convient de mesurer la force au moyen de jauges de
déformation de longueur de base courte et appropriée, typiquement 2 mm, placées sur les barres élastiques
directement connectées à l'éprouvette.
Il convient de positionner les jauges de déformation dans une zone où l'onde élastique n'est pas influencée
par des effets de bord. De manière à mesurer une onde élastique unidimensionnelle, les jauges de
déformation doivent être placées à une distance des extrémités des barres, égale à au moins cinq fois le
diamètre des barres (voir Annexes B et C).
2 −1
NOTE La gamme de vitesses de déformation mesurables par cette méthode est 10 s ou au dessus. Il n'est pas
2 −1
pratique de construire une machine d'essai pour des vitesses de déformation inférieures à 10 s , parce que des barres
de plusieurs dizaines de mètres de longueur seraient requises.
Pour assurer la validité des courbes contrainte-déformation, la rectitude des barres élastiques est cruciale. À
cet effet, des appuis ou des guides adaptés aux barres élastiques sont essentiels.
6.5 Dispositif de mesurage du déplacement. La déformation dans un essai de traction est représentée
par le rapport entre le déplacement relatif de deux points de la longueur de base, par exemple longueurs
initiale et finale de la base de l'éprouvette. En général, pour les essais quasi-statiques, un extensomètre
monté sur la longueur de base de l'éprouvette est utilisé et la mesure est précise. Cependant, avec des
vitesses de déformation élevées, il est impossible d'utiliser cette méthode du fait des effets d'inertie de
l'extensomètre. Par suite, on doit utiliser des dispositifs de type sans contact ou des jauges de déformation
sur des barres élastiques, pour la mesure du déplacement ou de l'allongement de l'éprouvette à vitesses de
déformation élevées.
Des dispositifs de mesure qui peuvent être utilisés pour la mesure du déplacement dans des systèmes de
type à barre élastique sont décrits de 6.5.1 à 6.5.3. Ces dispositifs sont recommandés pour des vitesses de
3 −1
déformation jusqu'à 10 s et il convient que les déplacements mesurés soient enregistrés pendant toute la
durée de l'essai. Les dispositifs suivants peuvent être utilisés conjointement. Par exemple lorsque 6.5.1 et
6.5.3 sont utilisés en combinaison, le déplacement à l'une des extrémités de la longueur de base initiale (L )
o
est mesuré par un dispositif de type capteur de déplacement sans contact (6.5.1) et à l'autre extrémité, on
effectue la mesure avec un dispositif avec jauges de déformation (6.5.3) placé à la surface de la barre.
6.5.1 Capteur de déplacement de type sans contact. Le déplacement à une extrémité de la longueur de
base initiale (L ) est mesuré et enregistré par laser, dispositif optique ou similaire.
o
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Au moyen de deux dispositifs de type 6.5.1 ou d'un dispositif de type 6.5.1 et d'un dispositif de type 6.5.3, la
variation de L à la Figure 1 (éprouvette de type A dans l'Article 7) en fonction du temps peut être mesurée
total
et l'allongement peut être calculé.
6.5.2 Extensomètre de type sans contact. Des caméras à grande vitesse, des extensomètres Doppler ou
laser ou d'autres systèmes sans contact peuvent être utilisés pour mesurer la variation de L , voir Figure 2
c
(éprouvette de type B dans l'Article 7).
6.5.3 Jauges de déformation. Il convient que la variation du déplacement de l'extrémité de la barre
élastique en fonction du temps soit calculée au moyen de l'Équation (1) sur la base de l'histoire de la
déformation mesurée par les jauges de déformation placées sur la barre élastique.
t
ut() =c ε (t)dt (1)
B0 B
∫
0
où
u (t) est le déplacement de l'extrémité de la barre élastique au temps t;
B
ε est la déformation élastique à l'extrémité de la barre élastique (voir Annexe B);
B
c est la vitesse de propagation de l'onde dans la barre élastique.
0
6.6 Instruments d'acquisition des données. Des amplificateurs et des enregistreurs de données tels que
des oscilloscopes sont utilisés pour évaluer les courbes contrainte-déformation à partir des signaux bruts. Il
convient que chaque instrument ait une réponse en fréquence suffisamment élevée. La réponse en fréquence
de tous les éléments du système de mesure électronique doit être choisie pour assurer que toutes les
données enregistrées ne soient pas influencées de manière négative par la réponse en fréquence d'un
quelconque composant individuel; typiquement, cela requiert une réponse en fréquence minimale de l'ordre
de 500 kHz. Pour les enregistreurs de données numériques, il convient que la résolution minimale des
données mesurées soit de 10 bits.
7 Éprouvette
7.1 Forme, dimensions et préparation des éprouvettes
La géométrie des éprouvettes est déterminée par les exigences suivantes.
a) La vitesse maximale de déformation requise détermine la longueur calibrée. Une éprouvette de longueur
calibrée plus petite peut atteindre des vitesses de déformation plus élevées. Ainsi de façon à atteindre
l'équilibre de la force dans l'éprouvette, il convient que la longueur calibrée soit suffisamment courte pour
une gamme donnée de vitesse de déformation.
3 −1
b) De façon à assurer l'équilibre des forces à des vitesses de déformation jusqu'à 10 s , la longueur
calibrée est de préférence inférieure à 20 mm.
Une déformation uniforme sur la longueur calibrée de l'éprouvette requiert que la force soit équilibrée aux
deux extrémités de l'éprouvette. La force se propage sous forme d'une onde élastique. Pour atteindre
l'équilibre, il convient au moins de respecter l'inégalité suivante.
L e
cs
u (2)
ce
où
L est la longueur calibrée de l'éprouvette;
c
c est la vitesse de propagation de l'onde élastique dans l'éprouvette;
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ISO 26203-1:2010(F)
e est la déformation conventionnelle désirée avant d'atteindre l'équilibre;
s
e est la vitesse de déformation de l'essai.
c) Il convient que la largeur de l'éprouvette soit déterminée pour obtenir une contrainte uniaxiale pendant
l'essai. Il convient d'appliquer la règle suivante:
L
o
W 2 (3)
b
o
b
o
W 2 (4)
a
o
où
a est l'épaisseur initiale d'une éprouvette plate;
o
b est la largeur initiale de la longueur calibrée d'une éprouvette plate;
o
L est la longueur de base initiale.
o
d) En général, sauf si cela n'est pas pratique ou pas nécessaire, il convient que l'épaisseur de l'éprouvette
soit l'épaisseur totale du matériau pour autant que la capacité de la machine d'essai le permette.
e) Il convient que le rayon de raccordement des éprouvettes de type A (voir Figure 1) soit suffisamment petit
pour que L soit considéré comme la longueur de base initiale (L ), et le rayon de raccordement des
total o
éprouvettes de type B (voir Figure 2) soit suffisamment grand pour que L soit considéré comme la
c
longueur de base initiale (L ).
o
Les données de traction uniaxiale calculées à partir du déplacement de la barre pour des éprouvettes de
type A ou de type B sont assorties d'incertitudes. Ces incertitudes sont dues à la non-uniformité de la
déformation axiale à l'intérieur de la longueur de base initiale, qui est utilisée ici comme longueur de base
de référence pour les calculs de déformation. Pour évaluer les effets potentiels de la non-uniformité des
déformations, il est recommandé de comparer les deux ensembles de données quasi statiques de la
contrainte vraie par rapport à la déformation vraie, c'est-à-dire
1) un ensemble obtenu à partir des mesures de déformation basées sur les déplacements de la barre
(c'est-à-dire les déplacements aux emplacements en bout de barre sur l'éprouvette) rapportées à
L ou L avec la géométrie choisie d'éprouvette pour essais à vitesse de déformation élevée, et
total c
2) l'autre obtenu à partir de données de déformation obtenues avec un extensomètre monté sur la
partie centrale de la section réduite calibrée d'une éprouvette de traction conventionnelle conforme à
l'ISO 6892-1.
Il convient que le résultat de cette comparison soit consigné dans le rapport d'essai pour fournir une
évaluation pour les utilisateurs potentiels de données de traction pour des vitesses de déformation
élevées, obtenues conformément à cette spécification. Si la différence dépasse une valeur convenue par
l'utilisateur et le laboratoire, il convient alors d'utiliser des mesures de déformation basées sur des
mesures de déformation locale à l'intérieur de la longueur de base.
f) Il convient que la zone d'amarrage présente
...
Questions, Comments and Discussion
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