ISO 1099:2017
(Main)Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method
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.
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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
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ISO 1099:2017(E)
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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
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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.
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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.
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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
d
diametric distance or width of the specimen or test piece where the stress is at a maximum
3.2
grip diameter
D
diameter of the specimen at grip end
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3.3
thickness of test section
t
thickness of reduced section of rectangular test specimen
3.4
width of test section
w
width of reduced section of rectangular test specimen
3.5
parallel length
L
p
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
L
z
overall length of test specimen
3.7
fillet radius
r
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
S
max
greatest algebraic value of stress in a stress cycle
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.9
mean stress
S
m
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
S
min
least algebraic value of stress in a stress cycle
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.11
stress amplitude
S
a
one-half the algebraic difference between the maximum stress and the minimum stress
Note 1 to entry: See Figure 2.
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3.12
stress range
ΔS
algebraic difference between the maximum and minimum stress
ΔS = S – S
max min
Note 1 to entry: See Figure 2.
3.13
stress ratio
R
s
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
N
number of smallest segments of the force-time, stress-time, etc., function that is repeated periodically
3.16
fatigue life
N
f
number of applied cycles to achieve a defined failure criterion
3.17
fatigue strength at N cycles
S
N
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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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
p
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
r
Other geometric cross-sections and gauge lengths may be used for specimens provided that uniform
distribution of stress in the gauge length is ensured.
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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.
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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
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ISO 1099:2017(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2017
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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.
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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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
d
diamètre ou largeur de l’éprouvette ou de la pièce d’essai où la contrainte est maximale
3.2
diamètre de tête d'amarrage
D
diamètre de l'éprouvette au niveau de la tête d'amarrage
3.3
épaisseur de la section d'essai
t
épaisseur de la section réduite d’une éprouvette rectangulaire
3.4
largeur de la section d'essai
w
largeur de la section réduite d’une l'éprouvette rectangulaire
3.5
longueur parallèle
L
p
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
L
z
longueur totale de l'éprouvette
3.7
rayon du congé
r
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
S
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
S
m
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
S
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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3.11
amplitude de contrainte
S
a
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
ΔS
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
R
s
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
N
nombre de plus petits segments de la fonction force-temps, contrainte-temps, etc., répétés régulièrement
3.16
durée de vie en fatigue
N
f
nombre de cycles appliqués pour atteindre un critère de rupture défini
3.17
résistance à la fatigue à N cycles
S
N
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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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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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
p
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
r
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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