Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method

ISO 1099:2017 specifies the conditions for conducting axial, constant-amplitude, force-controlled, fatigue tests at ambient temperature on metallic specimens, without deliberately introduced stress concentrations. The object of testing while employing this document is to provide fatigue information, such as the relation between applied stress and number of cycles to failure for a given material condition, such as hardness and microstructure, at various stress ratios. While the form, preparation and testing of specimens of circular and rectangular cross-section are described, component testing and other specialized forms of testing are not included in this document.

Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par force axiale contrôlée

Le présent document spécifie les conditions de réalisation d'essais de fatigue par force contrôlée à amplitude constante et à température ambiante sur des éprouvettes métalliques, sans introduire délibérément des concentrations de contrainte. Ces essais ont pour objet, à l'aide du présent document, de donner des informations telles que la relation entre la contrainte appliquée et le nombre de cycles avant rupture pour un état de matériau donné, telle que la dureté et la microstructure, à différents rapports de contrainte. Même si la forme, la préparation et les essais des éprouvettes de section transversale circulaire et rectangulaire sont décrits, les essais de composants et les essais spéciaux ne sont pas inclus dans le présent document. NOTE 1 Les essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes entaillées ne sont pas couverts par le présent document étant donné que leur forme et leur taille n'ont pas été normalisées. Toutefois, les procédures d'essai de fatigue décrites dans le présent document peuvent être appliquées aux essais de fatigue sur des éprouvettes entaillées. NOTE 2 Tout au long du présent document, la contrainte conventionnelle est utilisée. La contrainte conventionnelle est définie comme étant le quotient de la force appliquée de manière axiale sur l'aire de la section transversale de l'éprouvette, S = Force/Aire, à la température de l'essai.

General Information

Status
Published
Publication Date
31-May-2017
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
12-Apr-2017
Completion Date
01-Jun-2017
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ISO 1099:2017 - Metallic materials -- Fatigue testing -- Axial force-controlled method
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 1099
Third edition
2017-06
Metallic materials — Fatigue testing —
Axial force-controlled method
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par force
axiale contrôlée
Reference number
ISO 1099:2017(E)
ISO 2017
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 1099:2017(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2017, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

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ii © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 1099:2017(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Test plan ........................................................................................................................................................................................................................ 3

4.1 General outline ........................................................................................................................................................................................ 3

4.2 Presentation of fatigue results .................................................................................................................................................. 4

4.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 4

4.2.2 Wöhler or S-N curve ...................................................................................................................................................... 4

4.2.3 Mean stress diagrams .................................................................................................................................................. 4

5 Shape and size of specimen ....................................................................................................................................................................... 4

5.1 Form of specimens ............................................................................................................................................................................... 4

5.2 Specimen temperature measurement ................................................................................................................................ 5

6 Geometry ...................................................................................................................................................................................................................... 5

6.1 Bars and flat sheets >5 mm thick ............................................................................................................................................ 5

6.2 Flat sheets ................................................................................................................................................................................................... 6

6.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 6

6.2.2 Thicknesses between 5 mm and 2,5 mm .................................................................................................... 6

6.2.3 Thicknesses <2,5 mm .................................................................................................................................................. 6

6.3 Preparation of specimens .............................................................................................................................................................. 6

6.3.1 Machining procedure ................................................................................................................................................... 7

6.3.2 Sampling and marking ................................................................................................................................................ 7

6.3.3 Surface condition of the specimen ................................................................................................................... 7

6.3.4 Dimensional checks ....................................................................................................................................................... 8

6.3.5 Storage and handling ................................................................................................................................................... 8

7 Apparatus ..................................................................................................................................................................................................................... 8

7.1 Test machine ............................................................................................................................................................................................. 8

7.2 Alignment check .................................................................................................................................................................................... 9

7.3 Force transducer .................................................................................................................................................................................... 9

7.4 Gripping of specimen......................................................................................................................................................................... 9

8 Instrumentation for test monitoring ............................................................................................................................................10

8.1 Recording systems ............................................................................................................................................................................10

8.2 Cycle counter .........................................................................................................................................................................................10

9 Checking and verification.........................................................................................................................................................................10

10 Mounting of specimen ..................................................................................................................................................................................10

11 Rate of testing .......................................................................................................................................................................................................10

12 Application of force.........................................................................................................................................................................................11

13 Recording of temperature and humidity..................................................................................................................................11

14 Criterion of failure and test termination..................................................................................................................................11

14.1 Criterion of failure .............................................................................................................................................................................11

14.2 Test termination .................................................................................................................................................................................11

15 Test report ................................................................................................................................................................................................................11

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................23

© ISO 2017 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 1099:2017(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.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

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. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,

as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the

Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: www . i so .org/ iso/ foreword .html

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals,

Subcommittee SC 5, Fatigue testing.

This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 1099:2006), which has been technically

revised.

It shall be noted that this document does not address safety or health concerns, should such issues exist,

that may be associated with its use or application. The user of this document has the sole responsibility

to establish any appropriate safety and health concerns as well as to determine the applicability of any

national or local regulatory limitations regarding the use of this document.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 1099:2017(E)
Introduction

This document is intended to provide guidance for conducting axial, constant-amplitude, force-

controlled, cyclic fatigue tests on specimens of a metal for the sake of generating fatigue-life data (i.e.

stress vs. cycles to failure) for material characterization.

Nominally identical specimens are mounted in an axial force-type fatigue-testing machine and

subjected to the required cyclic force conditions that introduce any one of the types of cyclic stress

as illustrated in Figure 1. The test waveform should be of constant amplitude and sinusoidal unless

otherwise specified.

The force being applied to the specimen is along the longitudinal axis passing through the centroid

of each cross-section. The test is continued until the specimen fails or until a predetermined number

of stress cycles have been exceeded (See Clauses 4 and 13). Tests are typically conducted at ambient

temperature (ideally between 10 °C to 35 °C).

NOTE The results of a fatigue test can be affected by atmospheric conditions and where controlled conditions

are required, ISO 554:1976, 2.1 applies.
© ISO 2017 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 1099:2017(E)
Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-
controlled method
1 Scope

This document specifies the conditions for conducting axial, constant-amplitude, force-controlled,

fatigue tests at ambient temperature on metallic specimens, without deliberately introduced stress

concentrations. The object of testing while employing this document is to provide fatigue information,

such as the relation between applied stress and number of cycles to failure for a given material

condition, such as hardness and microstructure, at various stress ratios.

While the form, preparation and testing of specimens of circular and rectangular cross-section are

described, component testing and other specialized forms of testing are not included in this document.

NOTE 1 Fatigue tests on notched specimens are not covered by this document since the shape and size of

notched test pieces have not been standardized. However, fatigue-test procedures described in this document

can be applied to fatigue tests of such notched specimens.

NOTE 2 Throughout this document, the engineering stress is employed. Engineering stress is defined as the

quotient of the axially applied force to the cross-sectional area of the test specimen, S = Force/Area, at the test

temperature.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements 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 4965-1, Metallic materials — Dynamic force calibration for uniaxial fatigue testing — Part 1:

Testing systems

ISO 7500-1, Metallic materials — Verification of static uniaxial testing machines — Part 1:

Tension/compression testing machines – Verification and calibration of the force-measuring system

ISO 23788, Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing machines

3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
3.1
test specimen diameter

diametric distance or width of the specimen or test piece where the stress is at a maximum

3.2
grip diameter
diameter of the specimen at grip end
© ISO 2017 – All rights reserved 1
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ISO 1099:2017(E)
3.3
thickness of test section
thickness of reduced section of rectangular test specimen
3.4
width of test section
width of reduced section of rectangular test specimen
3.5
parallel length

length in the gauge test section of a specimen or test piece that has equal test diameter or test width

and is parallel
3.6
specimen length
overall length of test specimen
3.7
fillet radius
radius between the parallel length and the grip end of test specimen

Note 1 to entry: The curve need not be a true arc of a circle over the whole of the distance between the end of the

parallel length and the start of the grip end.
3.8
maximum stress
max
greatest algebraic value of stress in a stress cycle
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.9
mean stress

one-half the algebraic sum of the maximum stress and the minimum stress in a stress cycle

Note 1 to entry: See Figure 2.
3.10
minimum stress
min
least algebraic value of stress in a stress cycle
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.11
stress amplitude

one-half the algebraic difference between the maximum stress and the minimum stress

Note 1 to entry: See Figure 2.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 1099:2017(E)
3.12
stress range
algebraic difference between the maximum and minimum stress
ΔS = S – S
max min
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.13
stress ratio
ratio of minimum to maximum stress during any single cycle of fatigue operation
R = S /S
s min max
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.14
stress cycle
variation of stress with time, repeated periodically and identically
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.15
number of cycles

number of smallest segments of the force-time, stress-time, etc., function that is repeated periodically

3.16
fatigue life
number of applied cycles to achieve a defined failure criterion
3.17
fatigue strength at N cycles

value of the stress amplitude at a stated stress ratio under which the specimen would have a life of

N cycles
4 Test plan
4.1 General outline

Before commencing testing, the following shall be agreed by the parties concerned, unless specified

otherwise in the relevant product standard:
a) the form of specimen to be used (see 5.1);
b) the R-ratio(s) to be used;
c) the objective of the tests, i.e. which of the following is to be determined:
— the fatigue life at a specified stress amplitude;
— the fatigue strength at a specified life;
— a full Wöhler or S-N curve.
d) the number of specimens to be tested and the testing sequence;
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ISO 1099:2017(E)

e) the number of cycles at which a test on an un-failed specimen shall be terminated;

f) the testing temperature if different from the requirements given in 5.2.

In the light of recent research, it is of importance to note that metals generally do not exhibit a “fatigue

limit” per se, that is, a stress below which the metal will endure an “infinite number of cycles”. Typically,

the “plateau(s)” in stress-life are referred to as the conventional “fatigue limit(s)”, but failures below

these levels have been reported and do occur. See, for example, References [6] to[9].

4.2 Presentation of fatigue results
4.2.1 General

The design of the investigation and the use to be made of the results, govern the choice of the most

suitable method of presenting the results from the many available, graphically and otherwise. The

results of fatigue tests are usually presented graphically. In reporting fatigue data, the test conditions

should be clearly defined. In addition to graphical presentations, tabulated numerical data are desirable

where the presentation format permits.
4.2.2 Wöhler or S-N curve

The most general method of presenting the results graphically is to plot the number of cycles to failure,

N, as abscissa and the values of stress amplitude or, depending on the type of stress cycle, those of

any other stress, as ordinate. The curve drawn smoothly as an approximate middle line through the

experimental points is called a Wöhler or S-N curve. A logarithmic scale is used for the number of

cycles and the choice of whether a linear or logarithmic scale is used for the stress axis lies with the

experimenter. Individual curves are plotted for each set of tests for each R-ratio. Experimental results

are usually plotted on the same figure. An example of these graphical representations is shown in

Figure 3, where a linear stress scale is used.
4.2.3 Mean stress diagrams

The fatigue strengths derived from the Wöhler or S-N curve are plotted in fatigue strength diagrams as

constant life lines. The results can be represented by a graph giving directly, for particular fatigue lives, the

stress amplitude against the mean stress, as shown in Figure 4; or by plotting the maximum and minimum

stresses against the mean stress, as shown in Figure 5; or by plotting the maximum stress against the

minimum stress, as shown in Figure 6. Experimental results may be plotted on the same figure.

5 Shape and size of specimen
5.1 Form of specimens

Generally, a specimen having a fully machined test section is of the type shown in Figure 7 for a smooth

cylindrical-type gauge section.
The specimens may be of the following:

— circular cross-section with tangentially blending fillets between the test section and the ends, or

with a continuous radius between the ends (i.e. “hourglass” specimen);

— rectangular cross-section of uniform thickness over the test section with tangentially blending

fillets between the test section and the gripped ends (see Figure 8).

Specimens commonly known as “hourglass” specimens may be employed for testing with caution. In

such specimens, there is a continuous radius between grip ends with a minimum diameter or width of

the test section centrally located between these ends for cylindrical and flat specimens respectively.

Unlike a smooth, constant diameter or width, gauge section where a volume of material is equally

under stress, the hourglass specimen permits sampling only of a thin planar element of material at

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the minimum cross section. Thus, the fatigue results produced may not represent the response of

the bulk material where, particularly in the long-life fatigue regime, inclusions govern behaviour in

[9]

high hardness metals and there is a duality in crack initiation from surface to subsurface . In fact,

such results may be non-conservative particularly in the longer life regime where the largest micro

discontinuity may not lie in the planar section of greatest stress.

It is important to note that for specimens of rectangular cross-section, it may be necessary to reduce

the test section in both width and thickness. If this is necessary, then blending fillets will be required in

both the width and thickness directions. Also, for a rectangular-section specimen, where it is desired

to take account of the surface condition in which the metal will be used in actual application, then at

least one surface of the test section of the test piece should remain unmachined. It is often the case, for

fatigue tests conducted using a rectangular-section piece, that the results are not always comparable to

those determined on cylindrical specimens because of the difficulty in obtaining an adequate surface

finish or because fatigue cracks initiate preferentially at the corner(s) of the rectangular test piece.

5.2 Specimen temperature measurement

Tests are typically conducted at ambient temperature (ideally between 10 °C to 35 °C). For tests

conducted at non-ambient temperatures, the specimen temperature shall be fully documented and

measured using thermocouples or other appropriate devices in contact with the specimen surface, be

accurate to within ±2 °C.
6 Geometry
6.1 Bars and flat sheets >5 mm thick

The gauge portion of the specimen in a fatigue test represents a volume element of the material under

study. This implies the geometry of the specimen shall not affect the use of the test results.

This geometry shall fulfil the following conditions:
— provide a uniform cylindrical gauge portion;

— minimize the risk of buckling in compression to avoid failure initiation at the transition radius;

— provide a uniform stress (strain) distribution over the whole gauge portion.

There shall be no undercutting due to machining of the parallel length at the transition radii or

elsewhere on the gauge section. This feature may be checked with an optical comparator at reasonable

magnification (i.e. ~10 to 25X) to assure this is true.

Taking into account these requirements, the experience gained by a large number of laboratories and

the results of calculations taken from different types of specimens (see References [10] to [19]), the

following geometric dimensions (see Figure 7) are recommended:
a) diameter of cylindrical gauge length: 5 mm ≤ d ≤ 10 mm
b) parallel length: L ≥ 2d
c) transition radius (from parallel length to grip end): r ≥ 2d
d) diameter of grip end: D ≥ 2d
e) length of reduced section: L ≤ 8d

Other geometric cross-sections and gauge lengths may be used for specimens provided that uniform

distribution of stress in the gauge length is ensured.
© ISO 2017 – All rights reserved 5
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ISO 1099:2017(E)
Recommended end connections are as follows:
— smooth cylindrical connection (with hydraulic jaws);
— button-end connection.

The test fixture should locate the specimen, provide axial alignment and exclude backlash. Design of

the test fixture will depend on the specimen end details. A number of examples are given in Figure 9.

Designs of fatigue specimens in which alignment may depend on screw threads are not recommended.

6.2 Flat sheets
6.2.1 General

In general, the considerations discussed in the preceding paragraphs also apply to tests on the above

products. However, these tests require specific geometries and fixtures in order to avoid problems of

buckling.

Because low forces are generally applied, more sensitive force transducers than usual may be required.

The gripping system may necessitate the use of flat mechanical or hydraulic jaws. However, with the

latter type of assembly it is difficult to ensure correct alignment.

In general, the width of the specimen is reduced in the gauge length to avoid failures at the specimen/grip

interface or within the grips. In some applications, it might be necessary to add end tabs to increase the

grip end thickness as well as to avoid failure in the grips (see Figure 10).

In the case of flat specimens located in grips with parallel-sided jaws, care should be taken to make

sure they are centrally aligned within the jaws. Index marks or stops may facilitate this.

6.2.2 Thicknesses between 5 mm and 2,5 mm
It is possible to conduct these tests without anti-buckling restraints.
A possible geometry for a flat specimen is shown in Figure 8.
6.2.3 Thicknesses <2,5 mm

The use of anti-buckling restraints may be necessary and may limit the maximum test temperature.

A number of precautions are required to limit the increase in force induced by friction between the

restraint and specimen. This friction shall not at any time create a force increase greater than 2 %. The

use of a polytetrafluoroethylene (PTFE) film approximately 1 mm thick, for example, offers a partial

solution to this problem, as does boron nitride powder as a dry lubricant. Hydrocarbon-based lubricants

are not recommended as they may affect the test results.

The frictional forces may vary from one specimen to another. They shall be measured before each test

from the force-displacement curves recorded in the elasticity range of the material in tension with and

without anti-buckling restraints. An example of an anti-buckling restraint is shown in Figure 11.

6.3 Preparation of specimens

In any fatigue-test program designed to characterize the intrinsic properties of a material, it is

important to observe the following recommendations in the preparation of specimens. A deviation from

these recommendations is possible if the test program aims to determine the influence of a specific

factor (surface treatment, oxidation, etc.) that is incompatible with these recommendations. In all cases,

these deviations shall be noted in the test report.
6 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 1099:2017(E)
6.3.1 Machining procedure

The machining procedure selected may produce residual stresses on the specimen surface likely to

affect the test results. These stresses may be induced by heat gradients at the machining stage or they

may be associated with deformation of the material or microstructural alterations. Their influence is

less marked in tests at elevated temperatures because they are partially or totally relaxed once the

temperature is maintained. However, using an appropriate final machining procedure, especially prior

to a final polishing stage, should reduce such residual stresses. For harder materials, surface grinding

rather than tool operation (turning or milling) may be preferred.

— Grinding: from 0,1 mm of the final diameter at a rate of no more than 0,005 mm/pass.

— Polishing: remove the final 0,025 mm with papers of decreasing grit size. It is recommended that the

final direction of polishing be along the specimen axis.
NOTE 1 Alteration in the microst
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 1099
Troisième édition
2017-06
Matériaux métalliques — Essais de
fatigue — Méthode par force axiale
contrôlée
Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method
Numéro de référence
ISO 1099:2017(F)
ISO 2017
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 1099:2017(F)
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

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Publié en Suisse
ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO 1099:2017(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Plan d’essai ................................................................................................................................................................................................................. 3

4.1 Présentation générale ....................................................................................................................................................................... 3

4.2 Présentation des résultats de fatigue .................................................................................................................................. 4

4.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 4

4.2.2 Courbe de Wöhler ou courbe S-N ......................................................................................................................4

4.2.3 Diagrammes de contrainte moyenne ............................................................................................................. 4

5 Forme et dimension de l'éprouvette ................................................................................................................................................ 5

5.1 Forme des éprouvettes ..................................................................................................................................................................... 5

5.2 Mesure de la température de l'éprouvette ...................................................................................................................... 5

6 Géométrie .................................................................................................................................................................................................................... 5

6.1 Barreaux et produits plats >5 mm d'épaisseur ........................................................................................................... 5

6.2 Éprouvettes plates ............................................................................................................................................................................... 6

6.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 6

6.2.2 Épaisseur entre 2,5 mm et 5 mm ....................................................................................................................... 7

6.2.3 Épaisseur <2,5 mm ........................................................................................................................................................ 7

6.3 Préparation des éprouvettes ....................................................................................................................................................... 7

6.3.1 Procédure d'usinage ..................................................................................................................................................... 7

6.3.2 Échantillonnage et marquage ............................................................................................................................... 8

6.3.3 État de surface de l'éprouvette ............................................................................................................................ 8

6.3.4 Contrôles dimensionnels .......................................................................................................................................... 9

6.3.5 Stockage et manutention .......................................................................................................................................... 9

7 Appareillage .............................................................................................................................................................................................................. 9

7.1 Machine d'essai ...................................................................................................................................................................................... 9

7.2 Contrôle d'alignement ...................................................................................................................................................................... 9

7.3 Capteur de force ..................................................................................................................................................................................10

7.4 Amarrage de l'éprouvette ...........................................................................................................................................................10

8 Instruments de surveillance des essais .....................................................................................................................................10

8.1 Systèmes d'enregistrement .......................................................................................................................................................10

8.2 Compteur de cycles ..........................................................................................................................................................................10

9 Contrôle et vérification ...............................................................................................................................................................................11

10 Montage de l'éprouvette ............................................................................................................................................................................11

11 Vitesse de l'essai ................................................................................................................................................................................................11

12 Application de la force .................................................................................................................................................................................11

13 Consignation de la température et de l'humidité............................................................................................................11

14 Critère de rupture et fin de l'essai ..................................................................................................................................................12

14.1 Critère de rupture ..............................................................................................................................................................................12

14.2 Fin de l'essai ...........................................................................................................................................................................................12

15 Rapport d’essai ....................................................................................................................................................................................................12

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................23

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ISO 1099:2017(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 procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

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. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation

de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation

mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC) voir le lien

suivant: www .iso .org/ iso/ foreword .html

Le présent document a été élaboré par le Comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,

sous-comité SC 5, Essais de fatigue.

Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 1099:2006), qui a fait l’objet d’une

révision technique.

Il doit être noté que le présent document n'aborde pas les problèmes de sécurité et de santé, si de tels

problèmes existent, qui peuvent être liés à son utilisation ou son application. Il relève de la responsabilité

de l'utilisateur du présent document d'établir toutes les questions appropriées en matière de sécurité et

de santé, ainsi que de déterminer l'applicabilité des limitations réglementaires nationales ou locales eu

égard à l'utilisation du présent document.
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ISO 1099:2017(F)
Introduction

Le présent document est destiné à fournir des recommandations relatives à la réalisation des essais

de fatigue axiale, à amplitude constante, par force contrôlée et cyclique sur des éprouvettes en métal,

en vue de fournir des données sur la durée de vie en fatigue (c'est-à-dire la contrainte en fonction du

nombre de cycles avant rupture) pour la caractérisation d’un matériau.

Les éprouvettes identiques sont montées dans une machine d'essai de fatigue en force et soumises aux

conditions de force cyclique exigées introduisant l'un des types de contraintes cycliques présentés à la

Figure 1. Sauf spécification contraire, il convient que la forme d'onde d'essai présente une amplitude

constante et soit sinusoïdale.

La force appliquée à l'éprouvette est exercée le long de l'axe longitudinal passant par le centroïde de

chaque section transversale. L'essai se poursuit tant que l'éprouvette ne fait pas l'objet d'une rupture ou

qu'un nombre prédéterminé de cycles de contrainte n'a pas été dépassé (voir les Articles 4 et 13). Les

essais sont en général réalisés à température ambiante (dans l'idéal entre 10 °C et 35 °C).

NOTE Les résultats d'un essai de fatigue peuvent être affectés par les conditions atmosphériques et, lorsque

des conditions contrôlées sont requises, l'ISO 554:1976, 2.1 s'applique.
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NORME INTERNATIONALE ISO 1099:2017(F)
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par
force axiale contrôlée
1 Domaine d’application

Le présent document spécifie les conditions de réalisation d'essais de fatigue par force contrôlée à

amplitude constante et à température ambiante sur des éprouvettes métalliques, sans introduire

délibérément des concentrations de contrainte. Ces essais ont pour objet, à l'aide du présent document,

de donner des informations telles que la relation entre la contrainte appliquée et le nombre de cycles

avant rupture pour un état de matériau donné, telle que la dureté et la microstructure, à différents

rapports de contrainte.

Même si la forme, la préparation et les essais des éprouvettes de section transversale circulaire et

rectangulaire sont décrits, les essais de composants et les essais spéciaux ne sont pas inclus dans le

présent document.

NOTE 1 Les essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes entaillées ne sont pas couverts par le présent

document étant donné que leur forme et leur taille n'ont pas été normalisées. Toutefois, les procédures d'essai

de fatigue décrites dans le présent document peuvent être appliquées aux essais de fatigue sur des éprouvettes

entaillées.

NOTE 2 Tout au long du présent document, la contrainte conventionnelle est utilisée. La contrainte

conventionnelle est définie comme étant le quotient de la force appliquée de manière axiale sur l'aire de la section

transversale de l'éprouvette, S = Force/Aire, à la température de l’essai.
2 Références normatives

Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur

contenu, des exigences 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 4965-1, Matériaux métalliques — Étalonnage de la force dynamique uniaxiale pour les essais de

fatigue — Partie 1: Systèmes d'essai

ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification des machines pour essais statiques

uniaxiaux — Partie 1: Machines d'essai de traction/compression — Étalonnage et vérification du système

de mesure de force

ISO 23788, Matériaux métalliques — Vérification de l'alignement axial des machines d'essai de fatigue

3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http:// www .electropedia .org/

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp

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ISO 1099:2017(F)
3.1
diamètre de l'éprouvette

diamètre ou largeur de l’éprouvette ou de la pièce d’essai où la contrainte est maximale

3.2
diamètre de tête d'amarrage
diamètre de l'éprouvette au niveau de la tête d'amarrage
3.3
épaisseur de la section d'essai
épaisseur de la section réduite d’une éprouvette rectangulaire
3.4
largeur de la section d'essai
largeur de la section réduite d’une l'éprouvette rectangulaire
3.5
longueur parallèle

longueur de la section calibrée d’un échantillon ou d'une éprouvette, égale au diamètre d'essai ou à la

largeur d'essai et qui est parallèle
3.6
longueur d'éprouvette
longueur totale de l'éprouvette
3.7
rayon du congé
rayon entre la longueur parallèle et la tête d'amarrage de l'éprouvette d'essai

Note 1 à l'article: La courbe peut ne pas être un véritable arc de cercle sur toute la distance entre l'extrémité de la

longueur parallèle et le début de la tête d'amarrage.
3.8
contrainte maximale
max
plus grande valeur algébrique de la contrainte dans un cycle de contrainte
Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.9
contrainte moyenne

demi-somme algébrique de la contrainte maximale et de la contrainte minimale dans un cycle de

contrainte
Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.10
contrainte minimale
min
plus petite valeur algébrique de la contrainte dans un cycle de contrainte
Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
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ISO 1099:2017(F)
3.11
amplitude de contrainte

moitié de la différence algébrique entre la contrainte maximale et la contrainte minimale

Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.12
étendue de contrainte
différence algébrique entre les contraintes maximale et minimale
ΔS = S – S
max min
Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.13
rapport de contrainte

rapport de la contrainte minimale sur la contrainte maximale dans un cycle de contrainte

R = S /S
s min max
Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.14
cycle de contrainte

variation de la contrainte dans le temps, répétée périodiquement et de manière identique

Note 1 à l'article: Voir la Figure 2.
3.15
nombre de cycles

nombre de plus petits segments de la fonction force-temps, contrainte-temps, etc., répétés régulièrement

3.16
durée de vie en fatigue
nombre de cycles appliqués pour atteindre un critère de rupture défini
3.17
résistance à la fatigue à N cycles

valeur de l'amplitude de contrainte à un rapport de contrainte établi, à laquelle l'éprouvette présente

une durée de vie de N cycles
4 Plan d’essai
4.1 Présentation générale

Avant de commencer les essais, les éléments suivants doivent faire l'objet d'un accord entre les parties

concernées, sauf spécification contraire dans la norme de produits correspondante:

a) la forme de l'éprouvette à utiliser (voir 5.1);
b) le/les rapport(s) R à utiliser;
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ISO 1099:2017(F)

c) l'objectif de l'essai, c'est-à-dire lesquels des éléments suivants doivent être déterminés:

— la durée de vie en fatigue à amplitude de contrainte spécifiée;
— la résistance à la fatigue pour une durée de vie spécifiée;
— une courbe de Wöhler ou courbe S-N complète.
d) le nombre d'éprouvettes à soumettre à essai et la séquence des essais;

e) le nombre de cycles auquel un essai réalisé sur une éprouvette considérée comme non-rompue doit

être terminé;
f) la température d'essai, si elle est différente des exigences données en 5.2.

À la lumière des récentes recherches, il est important de noter qu'en général, les métaux ne présentent en

soi aucune “limite d'endurance” ou “limite de fatigue”, à savoir une contrainte en deçà de laquelle le métal

va endurer un “nombre infini de cycles”. En règle générale, le/les “plateau(x)” de durée de vie en contrainte

sont appelés “limite(s) de fatigue” ou “limites d'endurance” conventionnelles, mais des ruptures en deçà

de ces niveaux ont été signalées et se produisent. Voir, par exemple, les Références [6] à [9].

4.2 Présentation des résultats de fatigue
4.2.1 Généralités

Les études et l'utilisation des résultats obtenus orientent le choix de la méthode la plus adaptée de

présentation des résultats parmi les plus courantes, sous forme graphique ou autre. Les résultats des

essais de fatigue sont en général présentés sous forme graphique. Lors de la consignation des données

de fatigue, il convient de définir clairement les conditions d'essai. Outre les présentations graphiques,

des données numériques tabulées sont souhaitables si le format de présentation le permet.

4.2.2 Courbe de Wöhler ou courbe S-N

La méthode la plus générale de présentation graphique des résultats consiste à tracer en abscisse le

nombre de cycles avant rupture, N, et en ordonnée, les valeurs d'amplitude de contrainte ou, selon le

type de cycles de contrainte, celles d'une autre contrainte définie à partir du cycle de contrainte. La

courbe ainsi tracée sous la forme d'une ligne médiane approximée passant par les points expérimentaux,

est appelée courbe de Wöhler ou courbe S-N. Une échelle logarithmique est utilisée pour le nombre de

cycles, et il revient à l'expérimentateur de choisir d'utiliser une échelle linéaire ou logarithmique pour

l'axe de contrainte. Des courbes individuelles sont tracées pour chaque ensemble d'essais correspondant

à chaque rapport R. Les résultats expérimentaux sont en général tracés sur la même figure. Un exemple

de ces représentations graphiques est présenté à la Figure 3, dans laquelle une échelle de contrainte

linéaire est utilisée.
4.2.3 Diagrammes de contrainte moyenne

Les résistances à la fatigue déduites de la courbe de Wöhler ou courbe S-N sont tracées dans des

diagrammes de résistance à la fatigue sous la forme de courbes pour une durée de vie constante. Les

résultats peuvent être représentés par un graphique donnant directement, pour des “endurances”

particulières, l'amplitude de contrainte par rapport à la contrainte moyenne, comme le montre la

Figure 4, en traçant les contraintes maximale et minimale par rapport à la contrainte moyenne, comme

le montre la Figure 5; ou en traçant la contrainte maximale par rapport à la contrainte minimale, comme

le montre la Figure 6. Les résultats expérimentaux peuvent être tracés sur la même figure.

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ISO 1099:2017(F)
5 Forme et dimension de l'éprouvette
5.1 Forme des éprouvettes

En règle générale, une éprouvette dont la section d'essai est totalement usinée correspond au type

présenté à la Figure 7 pour une section calibrée cylindrique lisse.
Les éprouvettes peuvent être:

— à section circulaire avec des congés se raccordant tangentiellement entre la section d'essai et les

extrémités, ou avec un rayon continu entre les extrémités (c'est-à-dire une éprouvette toroïdale dite

“en sablier”);

— à section rectangulaire d'épaisseur uniforme sur toute la section d'essai avec des congés se

raccordant tangentiellement entre la section d'essai et les têtes d'amarrage (voir Figure 8).

Les éprouvettes toroïdales dites “en sablier” peuvent être utilisées pour les essais mais avec précaution.

Dans ce type d'éprouvettes, un rayon continu entre les extrémités de tête d'amarrage avec un diamètre

ou une largeur minimale de la section d'essai est situé au centre de ces extrémités pour les éprouvettes

cylindriques et plates, respectivement. À l'inverse d'une section calibrée de diamètre ou de largeur

constant(e), dont l’ensemble du volume de matériau est soumis à la même contrainte, l'éprouvette

toroïdale permet de n'échantillonner qu'un mince élément planaire de matériau au niveau de la section

transversale minimale. Ainsi, les résultats de fatigue produits peuvent ne pas représenter la réponse du

matériau de base où, en particulier pour le régime de fatigue de longue durée, les inclusions gouvernent

le comportement des métaux de dureté élevée, et pour lesquels il existe une dualité dans l’amorçage de

[9]

fissuration entre la surface et sous la surface . En réalité, ces résultats peuvent être non conservateurs,

en particulier en régime de durée de vie plus longue, lorsque la plus grande micro-discontinuité peut ne

pas se trouver dans la section planaire présentant la contrainte la plus élevée.

Il est important de noter que, pour des éprouvettes de section rectangulaire, il peut s'avérer nécessaire

de réduire la section d'essai tant en largeur qu'en épaisseur. Si c'est en effet le cas, des congés de

raccordement sont exigés dans le sens de la largeur et de l'épaisseur. De même, pour une éprouvette de

section rectangulaire, pour laquelle il est souhaitable de tenir compte de l'état de surface dans lequel

le métal est utilisé dans l'application réelle, il convient qu'au moins une surface de la section d'essai de

l'éprouvette ne soit pas usinée. Il arrive souvent, pour des essais de fatigue réalisés sur un élément de

section rectangulaire, que les résultats ne soient pas toujours comparables à ceux déterminés sur des

éprouvettes cylindriques, compte tenu de la difficulté à obtenir un fini de surface adapté ou en raison

d’amorçage de fissuration en fatigue dans le/les angle(s) de l'éprouvette rectangulaire.

5.2 Mesure de la température de l'éprouvette

Les essais sont en général réalisés à température ambiante (dans l'idéal entre 10 °C et 35 °C). Pour

des essais réalisés à des températures différentes de l’ambiante, la température de l'éprouvette doit

être totalement documentée et mesurée à l'aide de thermocouples ou d'autres dispositifs appropriés en

contact avec la surface de l'éprouvette, et sa précision doit être dans les limites de ±2 °C.

6 Géométrie
6.1 Barreaux et produits plats >5 mm d'épaisseur

La partie calibrée de l'éprouvette dans un essai de fatigue représente un élément de volume du matériau

à l'étude. Cela implique que la géométrie de l'éprouvette ne doit pas affecter l'utilisation des résultats

d'essai.
Cette géométrie doit satisfaire aux conditions suivantes:
— avoir une partie calibrée cylindrique uniforme;
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— réduire le plus possible le risque de flambage en compression afin d'éviter un amorçage de fissuration

au congé de raccordement;

— assurer une répartition uniforme des contraintes (déformations) sur l'ensemble de la partie calibrée;

Il ne doit y avoir aucun caniveau dû à l'usinage entre la longueur parallèle et le congé de raccordement

ni ailleurs sur la section calibrée. Pour s'en assurer, cette caractéristique peut être contrôlée avec un

dispositif optique proposant un grossissement raisonnable (c'est-à-dire environ 10 à 25 ×).

Compte tenu de ces exigences, de l'expérience acquise par un grand nombre de laboratoires et des

résultats de calculs de différents types d'éprouvettes (voir les Références [10] à [19]), les dimensions

géométriques suivantes (voir la Figure 7) sont recommandées:
a) diamètre de la longueur parallèle: 5 mm ≤ d ≤ 10 mm
b) longueur parallèle: L ≥ 2d
c) congé de raccordement (entre la longueur r ≥ 2d
parallèle et la tête d'amarrage):
d) diamètre de la tête d'amarrage: D ≥ 2d
e) longueur de la section réduite: L ≤ 8d

D'autres géométries de sections et longueurs parallèles peuvent être utilisées sous réserve d'assurer

une répartition uniforme des contraintes dans la longueur entre repères.
Les extrémités recommandées sont les suivantes:
— cylindrique lisse (pour mors hydrauliques);
— avec épaulement.

Il convient que le montage d'essai positionne l'éprouvette, assure l'alignement axial et exclue tout jeu

mécanique. La conception du montage d'essai dépend des têtes de l'éprouvette. Un certain nombre

d'exemples sont donnés à la Figure 9.

Les conceptions d'éprouvette de fatigue dont l'alignement peut dépendre de filetages ne sont pas

recommandées.
6.2 Éprouvettes plates
6.2.1 Généralités

En règle générale, les considérations présentées dans les alinéas précédents s'appliquent également aux

essais réalisés sur des éprouvettes plates. Toutefois, ces essais exigent des géométries spécifiques et

des montages particuliers pour éviter les problèmes de flambage.

De faibles forces étant en général appliquées, des capteurs de force plus sensibles que d'habitude peuvent

être exigés. Le système d’amarrage peut nécessiter l'utilisation de mors mécaniques ou hydrauliques

plats. Toutefois, avec ce dernier type d'assemblages, il est difficile d'assurer un alignement correct.

En général, la largeur de l'éprouvette est réduite dans la longueur entre repères afin d'éviter les

ruptures à l'interface éprouvette/tête d'amarrage ou à l'intérieur des têtes d'amarrage. Dans certa

...

Questions, Comments and Discussion

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