Rolling bearings — Ceramic bearing balls — Determination of strength by notched ball test

This document specifies a method for the determination of the strength of finished ceramic balls for ball bearings, preferably made of silicon nitride (Si3N4), with ball diameters from 3 mm to 50 mm. NOTE 1 ISO 26602 specifies the requirements for preprocessed silicon nitride materials for rolling bearing balls. ISO 3290-2 specifies requirements for finished silicon nitride balls for rolling bearings. NOTE 2 Other test methods to determine ceramic ball strength can be found in Reference [7]. The results of the strength tests slightly depend on the Poisson's ratio. For this reason, all calculations are restricted to a Poisson's ratio ranging from 0,15 to 0,35. This includes the Poisson's ratio of a typical silicon nitride ceramic used as rolling element in ball bearings. The method can also be used for rolling bearing balls made of other ceramic materials, but the reported prefactors may not be valid. NOTE 3 Poisson's ratio of isotropic materials can be determined by one of the methods given in ISO 17561. Because of the (defect controlled) brittle fracture behaviour of ceramic materials, a significant scatter of individual results in the characterization of a series of nominally identical samples can occur. NOTE 4 A further statistical analysis according to ISO 20501 can be carried out.

Roulements — Billes en céramique — Détermination de la résistance par test sur bille rainurée

Le présent document décrit une méthode de détermination de la résistance des billes en céramique à l'état fini destinées à des roulements à billes, de préférence constituées de nitrure de silicium (Si3N4) dont le diamètre est compris entre 3 mm et 50 mm. NOTE 1 L'ISO 26602 spécifie les exigences s'appliquant aux matériaux prétraités au nitrure de silicium pour les billes de roulements. L'ISO 3290‑2 spécifie les exigences s'appliquant aux billes de roulements finies au nitrure de silicium. NOTE 2 D'autres méthodes d'essai pour déterminer la résistance des billes en céramique sont disponibles à la Référence [7]. Les résultats des essais de résistance varient légèrement selon le coefficient de Poisson. Tous les calculs sont par conséquent limités à un coefficient de Poisson compris entre 0,15 et 0,35. Cela inclut le coefficient de Poisson d'une bille en céramique type constituée de nitrure de silicium, utilisée comme élément roulant dans les roulements à billes. La méthode peut également être utilisée pour les billes de roulement constituées d'autres matériaux céramiques, bien que les préfacteurs indiqués puissent ne pas être valides. NOTE 3 Le coefficient de Poisson des matériaux isotropes peut être déterminé à l'aide d'une des méthodes spécifiées dans l'ISO 17561. Le comportement des matériaux céramiques à la rupture fragile (sous contrôle des défauts) peut conduire à une forte dispersion de résultats individuels lors de la caractérisation d'une série d'échantillons nominalement identiques. NOTE 4 Une analyse statistique complémentaire conformément à l'ISO 20501 peut être réalisée.

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Published
Publication Date
04-Oct-2018
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
05-Oct-2018
Completion Date
05-Oct-2018
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ISO 19843:2018 - Rolling bearings -- Ceramic bearing balls -- Determination of strength by notched ball test
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ISO 19843:2018 - Roulements -- Billes en céramique -- Détermination de la résistance par test sur bille rainurée
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19843
First edition
2018-10
Rolling bearings — Ceramic bearing
balls — Determination of strength by
notched ball test
Roulements — Billes en céramique — Détermination de la résistance
par test sur bille rainurée
Reference number
ISO 19843:2018(E)
ISO 2018
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ISO 19843:2018(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2018

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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 19843:2018(E)
Contents Page

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

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

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

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

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

4 Symbols .......................................................................................................................................................................................................................... 6

5 Test description ..................................................................................................................................................................................................... 7

6 Equipment and testing devices .............................................................................................................................................................. 7

6.1 Loading device......................................................................................................................................................................................... 7

6.2 Testing machine ..................................................................................................................................................................................... 8

6.3 Measuring devices................................................................................................................................................................................ 8

6.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 8

6.3.2 Micrometer for external measurement ........................................................................................................ 8

6.3.3 Mechanical dial gauge ................................................................................................................................................. 8

6.3.4 Light microscope ............................................................................................................................................................. 8

6.3.5 Measuring gauge for the determination of the ligament thickness ..................................... 8

6.4 Grinding machine ................................................................................................................................................................................. 9

6.5 Psychrometer ........................................................................................................................................................................................... 9

6.6 Dryer ................................................................................................................................................................................................................ 9

7 Preparation of the notched ball ............................................................................................................................................................ 9

7.1 Number of test pieces n .................................................................................................................................................................. 9

7.2 Diameter determination ................................................................................................................................................................. 9

7.3 Preparation of the notch ..............................................................................................................................................................10

7.3.1 General...................................................................................................................................................................................10

7.3.2 Notch geometry .............................................................................................................................................................10

7.4 Cleaning ......................................................................................................................................................................................................11

8 Test procedure .....................................................................................................................................................................................................11

8.1 Measurement of notch parameters ....................................................................................................................................11

8.2 Mechanical testing ............................................................................................................................................................................13

9 Evaluation .................................................................................................................................................................................................................15

10 Potential uncertainties and deviations ......................................................................................................................................15

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

Annex A (normative) Function tables for prefactor f .......................................................................................................................17

Annex B (normative) Comparability of notched ball strength results ...........................................................................20

Annex C (informative) V-block system for preparation of the notch ................................................................................24

Annex D (informative) Positioning aid ............................................................................................................................................................26

Annex E (informative) Example of a test report for determination of the notched ball strength ......27

Annex F (normative) Notch root damage due to machining .....................................................................................................29

Annex G (informative) Proposed initial testing speed for the cross head ..................................................................31

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................32

© ISO 2018 – All rights reserved iii
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ISO 19843:2018(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 voluntary nature of standards, 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 .iso .org/iso/foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 4, Rolling bearings, Subcommittee SC 12,

Ball bearings.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
iv © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 19843:2018(E)
Introduction

To determine the strength of components, specially prepared test pieces are usually produced and then

tested in flexure.

The transfer of the values measured on standard ceramic bending test pieces to the original components

is possible only in some limited cases.

Since the surface finish of the ceramic balls should not be modified, the notched ball test may be

successfully applied as a component test for quality control. Moreover, influences of the manufacturing

process and service can be quantified.

This testing method is applicable to process and material development, quality assurance, materials

characterization and selection, and the determination of design parameters. The measured strength is

determined under the following conditions:
a) linear-elastic material behaviour (stress-strain relation);
b) homogeneous and isotropic material behaviour.

This testing method is intended to be conducted at a laboratory using precise processing equipment,

measurement device and testing machine. It is intended to be applied by experienced operators

paying considerable attention to notch processing and measurement on notch parameters to perform

mechanical testing.
© ISO 2018 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 19843:2018(E)
Rolling bearings — Ceramic bearing balls — Determination
of strength by notched ball test
1 Scope

This document specifies a method for the determination of the strength of finished ceramic balls for

ball bearings, preferably made of silicon nitride (Si N ), with ball diameters from 3 mm to 50 mm.

3 4

NOTE 1 ISO 26602 specifies the requirements for preprocessed silicon nitride materials for rolling bearing

balls. ISO 3290-2 specifies requirements for finished silicon nitride balls for rolling bearings.

NOTE 2 Other test methods to determine ceramic ball strength can be found in Reference [7].

The results of the strength tests slightly depend on the Poisson's ratio. For this reason, all calculations

are restricted to a Poisson's ratio ranging from 0,15 to 0,35. This includes the Poisson's ratio of a typical

silicon nitride ceramic used as rolling element in ball bearings.

The method can also be used for rolling bearing balls made of other ceramic materials, but the reported

prefactors may not be valid.

NOTE 3 Poisson’s ratio of isotropic materials can be determined by one of the methods given in ISO 17561.

Because of the (defect controlled) brittle fracture behaviour of ceramic materials, a significant scatter

of individual results in the characterization of a series of nominally identical samples can occur.

NOTE 4 A further statistical analysis according to ISO 20501 can be carried out.
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 463, Geometrical Product Specifications (GPS) — Dimensional measuring equipment — Design and

metrological characteristics of mechanical dial gauges
ISO 3290-2, Rolling bearings — Balls — Part 2: Ceramic balls

ISO 3611, Geometrical product specifications (GPS) — Dimensional measuring equipment: Micrometers for

external measurements — Design and metrological characteristics
ISO 6106, Abrasive products — Checking the grain size of superabrasives

ISO 7500-1:2018, Metallic materials — Calibration and verification of static uniaxial testing machines —

Part 1: Tension/compression testing machines — Calibration and verification of the force-measuring system

ISO 20501, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Weibull statistics for

strength data
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:

— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
© ISO 2018 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 19843:2018(E)
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
equatorial plane
plane of symmetry of the ball perpendicular to the loading direction
3.2
fracture force
applied force at fracture
3.3
ligament cross section
remaining segment of a circle in the equatorial plane of the notched ball
3.4
ligament thickness

maximum thickness of the ligament cross section in the equatorial plane (3.1) between the notch root

(3.13) and the ball surface
Note 1 to entry: See Figure 1 and Figure 2.
3.5
mean notch root radius
arithmetic average of the notch root radii (3.10) R and R
1 2
3.6
nominal width of the cutting wheel
nom
width of the cutting tool as declared by the producer
3.7
notch centricity

quantifiable value of departure from perfect notch midplane, related to the equatorial plane

Note 1 to entry: Practically, the asymmetry of the notch is determined as the notch centricity z; see Figure 2.

3.8
notch depth
theoretical depth of the notch
Note 1 to entry: l = D – h.
Note 2 to entry: See Figure 2.
3.9
notch midplane

imaginary plane through the centre of the real notch perpendicular to the loading direction

Note 1 to entry: See Figure 1 and Figure 2.
3.10
notch root radii
R , R
1 2
radii of the fillet of the notch root (3.13)
Note 1 to entry: See Figure 2.
2 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 19843:2018(E)
3.11
notched ball

ball with a positioned notch, which is used as the test piece for the notched ball test

Note 1 to entry: See Figure 1.
3.12
notched ball strength

theoretical maximum endured fibre stress at the point of the maximum nominal stress at the apex of

the ligament cross section (3.3) at the time of fracture

Note 1 to entry: See Figure 1. The calculation is performed according to Formula (6).

3.13
notch root
region at the deepest point of the notch
Note 1 to entry: See Figure 1.
3.14
notch width
width of the notch, measured at a distance w /2 away from the notch root (3.13)
nom
Note 1 to entry: See Figure 5 and 8.1.
3.15
pole
discrete point of the ball surface where the load is applied

Note 1 to entry: See points B and B´ in Figure 1. The line connecting points B and B’ goes through the ball centre

and is perpendicular to the notch midplane.
3.16
preload

force which is applied before the test, in order to fix the test piece in the designated position

3.17
relative notch centricity
notch centricity (3.7) related to the ball diameter
Note 1 to entry: ζ = z/D .
3.18
relative notch depth
notch depth (3.8) related to the ball diameter
Note 1 to entry: λ = l/D .
3.19
relative notch root radius
mean notch root radius (3.5), related to the notch width (3.14)
Note 1 to entry: ρ = R /w.
© ISO 2018 – All rights reserved 3
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ISO 19843:2018(E)
3.20
relative notch width
notch width (3.14) related to the ball diameter
Note 1 to entry: ω = w/D .
3.21
test surface

surface area of the notched ball (3.11) opposite to the notch root (3.13), where the maximum tensile

stresses occur during loading
Note 1 to entry: See Figure 1.
a) Volume model illustrated with the stress amplitude
4 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 19843:2018(E)
b) Front view, side view and section view (cut)
Key
A point of maximum nominal stress at the apex of the ligament cross section
B, B’ points where the load is introduced
t tolerance value associated with z
1 test surface
2 loading direction
3 equatorial plane
4 notch root
5 ligament cross section
6 notch midplane
Figure 1 — Notched ball test piece
© ISO 2018 – All rights reserved 5
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ISO 19843:2018(E)
Key
1 equatorial plane
2 notch root
3 notch midplane
4 notch side faces
NOTE See also Figure 1.
Figure 2 — Notch parameter of the notched ball
4 Symbols
See Table 1.
Table 1 — Symbols
Symbol Unit Nomenclature
D mm ball diameter
F N fracture force
F N preload
f — prefactor
f — correction factor of the notch depth to calculate the reference strength
f — correction factor of the notch width to calculate the reference strength
h mm ligament thickness
l mm notch depth
m — Weibull modulus of a batch
n — number of test pieces
p , p mm auxiliary distances for the determination of the notch centricity
1 2
R mm mean notch root radius
R mm radius of the tip of the measuring gauge
R , R mm notch root radii
1 2
r , r mm auxiliary distances for the determination of the notch root radii
1 2
S mm effective surface
eff
V mm effective volume
eff
6 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 19843:2018(E)
Table 1 (continued)
Symbol Unit Nomenclature
w mm notch width
w mm nominal width of the cutting wheel
nom
w mm width of the measuring blade
z mm notch centricity
ζ — relative notch centricity
λ — relative notch depth
ν — Poisson's ratio
ρ — relative notch root radius
σ MPa notched ball strength
σ MPa characteristic strength of a batch
σ MPa reference strength
Ref
ω — relative notch width
5 Test description

During test piece preparation, a notch is centrally ground in the equatorial plane of the ball. In the

subsequent strength test, a load is applied at the poles of the notched ball via two parallel anvils. The

notch faces are squeezed together, whereby tensile stresses are generated on the surface opposite to

the notch root. The load is increased uniformly until fracture. From the fracture force, the notched ball

strength is calculated.

NOTE 1 The maximum stress is the first principal stress, the direction of which is parallel to the loading

direction.
NOTE 2 Further details can be found in References [8], [9] and [11].

NOTE 3 A similar principle using a C-shaped notch is described in Reference [10], which was derived from

Reference [5].
6 Equipment and testing devices
6.1 Loading device

The loading device consists of two parallel plates (testing anvils) and shall meet the following

requirements.

The contact areas of the testing anvils shall be made of hard metal or of silicon nitride plates with a

thickness of at least 10 mm. The material shall be chosen so that no plastic indentations remain on

the anvil faces. The anvil surfaces shall be aligned perpendicular to the loading direction [see item 2

in Figure 1 a)]. The loading direction shall be the same as the moving direction of the crosshead of the

testing machine. The anvil surfaces shall be smooth and their parallelism shall be designed in order

that the anvil surfaces show a difference in the loading direction of less than 0,05 mm related to a

transverse length of 50 mm. While loading, the stiffness shall be sufficient to avoid tilting.

The design of the test anvils shall be selected so that the positioning of the test piece is not hindered. An

example is shown in Annex D. The points of the load application B and B' shall be axial in line with the

anvil, i.e. they shall lie in the centre of the anvil faces. The dimensions of the anvil-surfaces shall be at

least the ball diameter.

It shall be ensured that frictional constraints and maladjustments of the test piece are minimized.

© ISO 2018 – All rights reserved 7
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ISO 19843:2018(E)
6.2 Testing machine

The testing machine shall be able to apply a force with a constant crosshead displacement speed. The

machine shall be equipped with a device for recording the applied force at any time of the test. The

uncertainty of the testing machine shall be consistent with ISO 7500-1:2018, class 1 (1 % of indicated

load) and the record shall have a sensitivity higher than 0,1 % of the maximum applied force.

6.3 Measuring devices
6.3.1 General

The following measurement equipment is required for the determination of the parameters:

— micrometer for external measurement (see 6.3.2);
— mechanical dial gauge (see 6.3.3);
— light microscope (see 6.3.4);
— measuring gauge to measure the ligament thickness (see 6.3.5).
If other measurement equipment is used, it shall be agreed beforehand.
6.3.2 Micrometer for external measurement

A micrometer in accordance with ISO 3611, but with an accuracy of ±2 µm or better, shall be used for

measuring the test piece dimensions. The measuring surfaces of the micrometer shall be flat. Sharp

measurement tips shall not be used to avoid damaging the sample. For all alternative length measuring

devices, similar restrictions shall be observed.
6.3.3 Mechanical dial gauge

A mechanical dial gauge in accordance with ISO 463, but with an accuracy of ±10 µm, shall be used to

measure the notch centricity.
6.3.4 Light microscope

For the recording of calibrated micrographs to determine the notch parameter, a measuring microscope

is required [see also Figure C.1 c)].
6.3.5 Measuring gauge for the determination of the ligament thickness

With the special measuring tool (measuring gauge or blade) and a corresponding bracket (as shown in

Figure 3), the ligament thickness can be determined with sufficient accuracy. The blade edge has the

shape of a "blunt knife edge" and may have a rounded or small top flat edge. In order to avoid influencing

the measurement by the notch root radius and a strong tilting of the notch ball in the measurement, the

measuring blade shall fulfil the geometry conditions given by Formula (1) and Formula (2).

R ≤ w/10 (1)
0,7 w ≤ w ≤ 0,95 w (2)

The procedure for the measurement of the ligament thickness is illustrated in Figure 4.

8 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 19843:2018(E)
Key
1 measuring gauge
2 measuring edge
3 bracket
X variant 1 for the measuring edge
Y variant 2 for the measuring edge

NOTE Details of the measuring edge can be executed either according to variant X or according to variant Y.

Figure 3 — Measuring gauge for the determination of the ligament thickness and a
corresponding bracket
6.4 Grinding machine

The notch should preferably be produced with a reciprocating grinding machine using a cutting wheel

with diamond abrasive layer (see also Reference [7]).
6.5 Psychrometer

A psychrometer for measuring the humidity with a measurement error of ±2 % of the relative humidity

shall be used.
A recommended measurement method can be found in Reference [6].
6.6 Dryer

A drying cabinet capable of being maintained at a temperature of 110 °C ± 5 °C shall be used.

7 Preparation of the notched ball
7.1 Number of test pieces n

For material characterization and quality assurance, at least n = 10 valid test results shall be obtained.

For the statistical evaluation of strength values (e.g. Weibull parameters), the minimum number of test

pieces is n = 30.

NOTE If the number of nominally identical test pieces is less than 30, the calculated Weibull parameters can

have significant uncertainty. Because of the inaccuracy of these parameters, a comparison of different batches is

not suitable in this case. Further information is provided in ISO 20501 and Reference [9].

7.2 Diameter determination

The diameters of the tested balls are specified by the manufacturer or shall be determined in accordance

with ISO 3290-2.
© ISO 2018 – All rights reserved 9
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ISO 19843:2018(E)
7.3 Preparation of the notch
7.3.1 General

The test surface shall not be damaged by notch manufacturing. For the manufacturing of the notch by

cutting, large forces are generally required, which results in high contact stresses at the contact points.

This can lead to defects in the test surface (such as scratches, cracks, plastic deformation), which can

affect the resulting surface strength. Furthermore, high loads perpendicular to the notch shall be

avoided (e.g. fixing or clamping the balls) to prevent pre-damage.

The notch shall be produced with a diamond cutting wheel with a grit size between D64 and D151 in

accordance with ISO 6106 and with appropriate cooling (e.g. emulsion).

In general, a polymer bonded diamond wheel is recommended. For cutting wheels with a width less

than about 1 mm, the diamond coating is often applied by electroplating, which can result in higher and

non-constant wear rates of the cutting wheel.
NOTE A simple and proven method is presented in Annex C.

The feed and the feed rate control shall be chosen in such a way that the notch is prepared as carefully

as possible and without chipping. Rejection criteria for chipped and/or partially cracked test pieces

shall be as specified in Annex F. However, if chipped and/or partially cracked test pieces (exceeding the

rejection criteria defined in Annex F) are tested, it shall be proven via fractographical analysis that the

fracture origin is not related to notch root damage.

An in-depth feed rate (depth of cut) between 5 µm and 10 µm per cycle is recommended.

7.3.2 Notch geometry

To generalize the notch ball test, the absolute geometry parameters of the notch l, w and R are

converted into the relative (dimensionless) parameters λ, ω and ρ. Furthermore, the notch should be

symmetrically and centrally located with respect to the equatorial plane.

The relative dimensions of the standard notch are given in Table 2. These values (geometry of the notch)

shall be the target for the notch preparation. For a valid evaluation of the strength using the notched

ball test, all parameters shall be within the acceptance range specified in Table 2.

NOTE For statistical analysis, the approximation given by Formula (A.1) is applicable only within the

parameter range in Table 2 .
Table 2 — Acceptable notch geometries for evaluation of a single test piece
Parameter Symbol Standard notch Acceptance range
Relative notch depth λ 0,80 0,78 to 0,82
Relative notch width ω 0,10 0,05 to 0,15
Relative notch root radius ρ 0,25 0 to 0,5
Relative notch centricity ζ 0 0 to 0,01

The Weibull parameters of a test series (e.g. 30 samples) shall be determined in accordance with

ISO 20501 and the difference between the notch parameters of all tested samples shall not be larger

than specified in Table 3.

For the comparison of the Weibull parameters of two batches with the same nominal ball diameter, the

maximum difference of the relative notch parameters λ, ω and ρ of all individual test pieces are given in

Table 3. If one or more of these values are exceeded,
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 19843
Première édition
2018-10
Roulements — Billes en céramique
— Détermination de la résistance par
test sur bille rainurée
Rolling bearings — Ceramic bearing balls — Determination of
strength by notched ball test
Numéro de référence
ISO 19843:2018(F)
ISO 2018
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ISO 19843:2018(F)
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 19843:2018(F)
Sommaire Page

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

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

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

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

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 2

4 Symboles ....................................................................................................................................................................................................................... 6

5 Description de l’essai ....................................................................................................................................................................................... 7

6 Équipements et appareillages d’essai ............................................................................................................................................ 7

6.1 Dispositif de chargement ............................................................................................................................................................... 7

6.2 Machine d’essai ....................................................................................................................................................................................... 8

6.3 Dispositifs de mesurage .................................................................................................................................................................. 8

6.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

6.3.2 Micromètre de mesure externe ........................................................................................................................... 8

6.3.3 Comparateur à cadran mécanique ................................................................................................................... 8

6.3.4 Microscope optique ....................................................................................................................................................... 8

6.3.5 Jauge de mesure pour la détermination de l’épaisseur de ligament ................................... 8

6.4 Rectifieuse ................................................................................................................................................................................................... 9

6.5 Psychromètre ........................................................................................................................................................................................... 9

6.6 Séchoir ............................................................................................................................................................................................................ 9

7 Préparation de la bille rainurée ........................................................................................................................................................... 9

7.1 Nombre d’éprouvettes n ..................................................................................................................................................................9

7.2 Détermination du diamètre ......................................................................................................................................................... 9

7.3 Préparation de la rainure ............................................................................................................................................................10

7.3.1 Généralités .........................................................................................................................................................................10

7.3.2 Géométrie de la rainure ..........................................................................................................................................10

7.4 Nettoyage ..................................................................................................................................................................................................11

8 Procédure d’essai ..............................................................................................................................................................................................11

8.1 Mesurage des paramètres de la rainure .........................................................................................................................11

8.2 Essais mécaniques ............................................................................................................................................................................13

9 Évaluation .................................................................................................................................................................................................................14

10 Incertitudes et écarts potentiels .......................................................................................................................................................14

11 Rapport d'essai ...................................................................................................................................................................................................15

Annexe A (normative) Tableaux de correspondance pour le préfacteur f .................................................................16

Annexe B (normative) Comparabilité des résultats de résistance de la bille rainurée ................................19

Annexe C (informative) Système de cale en V pour la préparation de la rainure ...............................................22

Annexe D (informative) Aide au positionnement .................................................................................................................................24

Annexe E (informative) Exemple de rapport d’essai pour la détermination de la résistance

de la bille rainurée ..........................................................................................................................................................................................25

Annexe F (normative) Endommagement du fond d’entaille lié à l’usinage ..............................................................27

Annexe G (informative) Vitesse d’essai initiale suggérée pour la traverse ...............................................................29

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................30

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ISO 19843:2018(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 nature volontaire des normes, 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/fr/avant -propos .html.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 4, Roulements, sous-comité SC 12,

Roulements à billes.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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ISO 19843:2018(F)
Introduction

En règle générale, la détermination de la résistance des composants implique souvent de produire des

éprouvettes spécialement préparées et de les soumettre à un essai de flexion.

Il n’est possible que dans certains cas de rapporter aux composants d’origine les valeurs mesurées sur

des éprouvettes de flexion en céramique standard.

Étant donné qu'il n’est pas recommandé de modifier l’état de surface des billes en céramique, l’essai sur

bille rainurée peut être efficacement utilisé comme essai de composant à des fins de contrôle qualité.

De plus, il est possible de quantifier les influences du procédé de fabrication et de l’entretien.

Cette méthode d’essai s’applique au développement de procédés et matériaux, à l’assurance qualité,

à la caractérisation et à la sélection des matériaux, ainsi qu’à la détermination des paramètres de

conception. La résistance mesurée est déterminée dans les conditions suivantes:

a) comportement élastique linéaire du matériau (relation contrainte/déformation);

b) comportement homogène et isotrope du matériau.

Cette méthode d’essai est destinée à être mise en œuvre dans un laboratoire disposant d’équipements

de traitement, d’appareils de mesure et de machines d’essais d’une grande précision. Par ailleurs,

elle est destinée être appliquée par un opérateur expérimenté accordant une attention particulière

au traitement de la rainure et au mesurage des paramètres de la rainure pour effectuer les essais

mécaniques.
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NORME INTERNATIONALE ISO 19843:2018(F)
Roulements — Billes en céramique — Détermination de la
résistance par test sur bille rainurée
1 Domaine d'application

Le présent document décrit une méthode de détermination de la résistance des billes en céramique à

l’état fini destinées à des roulements à billes, de préférence constituées de nitrure de silicium (Si N )

3 4
dont le diamètre est compris entre 3 mm et 50 mm.

NOTE 1 L’ISO 26602 spécifie les exigences s’appliquant aux matériaux prétraités au nitrure de silicium pour

les billes de roulements. L’ISO 3290-2 spécifie les exigences s’appliquant aux billes de roulements finies au nitrure

de silicium.

NOTE 2 D’autres méthodes d’essai pour déterminer la résistance des billes en céramique sont disponibles à la

Référence [7].

Les résultats des essais de résistance varient légèrement selon le coefficient de Poisson. Tous les

calculs sont par conséquent limités à un coefficient de Poisson compris entre 0,15 et 0,35. Cela inclut le

coefficient de Poisson d’une bille en céramique type constituée de nitrure de silicium, utilisée comme

élément roulant dans les roulements à billes.

La méthode peut également être utilisée pour les billes de roulement constituées d’autres matériaux

céramiques, bien que les préfacteurs indiqués puissent ne pas être valides.

NOTE 3 Le coefficient de Poisson des matériaux isotropes peut être déterminé à l’aide d’une des méthodes

spécifiées dans l’ISO 17561.

Le comportement des matériaux céramiques à la rupture fragile (sous contrôle des défauts) peut

conduire à une forte dispersion de résultats individuels lors de la caractérisation d'une série

d’échantillons nominalement identiques.

NOTE 4 Une analyse statistique complémentaire conformément à l’ISO 20501 peut être réalisée.

2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte 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 463, Spécification géométrique des produits (GPS) — Instruments de mesurage dimensionnel:

Comparateurs mécaniques à cadran — Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques

ISO 3290-2, Roulements — Billes — Partie 2: Billes de roulement en céramique

ISO 3611, Spécification géométrique des produits (GPS) — Équipement de mesurage dimensionnel:

Micromètres d'extérieur — Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques

ISO 6106, Produits abrasifs — Vérification de la dimension des grains de superabrasifs

ISO 7500-1:2018, 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 20501, Céramiques techniques — Statistiques Weibull des données de résistance

© ISO 2018 – Tous droits réservés 1
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ISO 19843:2018(F)
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:

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

— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
plan équatorial
plan de symétrie de la bille perpendiculairement au sens du chargement
3.2
effort de rupture
effort appliqué à la rupture
3.3
section transversale du ligament
segment résiduel d'un cercle dans le plan équatorial de la bille rainurée
3.4
épaisseur de ligament

épaisseur maximale de la section transversale du ligament dans le plan équatorial (3.1) entre le fond de

la rainure (3.13) et la surface de la bille
Note 1 à l'article: Voir Figure 1 et Figure 2.
3.5
rayon moyen du fond de la rainure
moyenne arithmétique des rayons de fond d’entaille (3.10) R et R
1 2
3.6
largeur nominale de la meule
nom
largeur de l’outil de coupe déclarée par le producteur
3.7
centricité de la rainure

valeur quantifiable de départ par rapport au plan médian d’entaille parfait, rapportée au plan équatorial

Note 1 à l'article: Dans la pratique, l’asymétrie de la rainure est déterminée comme étant égale à la centricité

d’entaille z, voir Figure 2.
3.8
profondeur d’entaille
profondeur théorique de la rainure
Note 1 à l'article: l = D – h
Note 2 à l'article: Voir Figure 2.
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO 19843:2018(F)
3.9
plan médian de la rainure

plan imaginaire passant par le centre de la rainure réelle perpendiculairement au sens du chargement

Note 1 à l'article: Voir Figure 1 et Figure 2.
3.10
rayons de fond d’entaille
R , R
1 2
rayons de congé du fond de la rainure (3.13)
Note 1 à l'article: Voir Figure 2.
3.11
bille rainurée

bille avec une rainure positionnée, qui est utilisée comme éprouvette d’essai dans le cadre de l’essai sur

bille entaillée
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
3.12
résistance de la bille rainurée

contrainte théorique maximale exercée dans la fibre au point de contrainte nominal maximal à l’apex

de la section transversale du ligament (3.3) au moment de la rupture

Note 1 à l'article: Voir Figure 1. Le calcul est effectué conformément à la Formule (6).

3.13
fond de la rainure
région située au point le plus profond de la rainure
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
3.14
largeur de la rainure

largeur de la rainure, mesurée à une distance w /2 par rapport au fond de la rainure (3.13)

nom
Note 1 à l'article: Voir Figure 5 et 8.1 .
3.15
pôle
point discret sur la surface de la bille où est appliquée la charge

Note 1 à l'article: Voir les points B et B’ à la Figure 1. La ligne de jonction des points B et B’ traverse le centre de la

bille et est perpendiculaire au plan médian de la rainure.
3.16
précharge

force appliquée avant l’essai afin de fixer l’éprouvette dans la position désignée

3.17
centricité relative de la rainure
centricité de la rainure (3.7) rapportée au diamètre de la bille
Note 1 à l'article: ζ = z/D .
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ISO 19843:2018(F)
3.18
profondeur relative de la rainure
profondeur de la rainure (3.8) rapportée au diamètre de la bille
Note 1 à l'article: λ = l/D .
3.19
rayon relatif du fond de la rainure

rayon moyen du fond de la rainure (3.5) rapporté à la largeur de la rainure (3.14)

Note 1 à l'article: ρ = R /w.
3.20
largeur relative de la rainure
largeur de la rainure (3.14) rapportée au diamètre de la bille
Note 1 à l'article: ω = w/D .
3.21
surface d'essai

aire surfacique de la bille rainurée (3.11) située à l’opposé du fond de la rainure (3.13), où sont exercées

les contraintes de traction maximales au cours du chargement
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
a) Modèle volumique illustré avec l’amplitude de contrainte
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ISO 19843:2018(F)
b) Vue de face, vue de côté et vue transversale (coupe)
Légende

A point de la contrainte nominale maximale au sommet de la section transversale du ligament

B, B' points d’introduction de la charge
t tolérance associée à z
1 surface d’essai
2 sens de chargement
3 plan équatorial
4 fond de la rainure
5 section transversale du ligament
6 plan médian de la rainure
Figure 1 — Bille rainurée utilisée comme éprouvette
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ISO 19843:2018(F)
Légende
1 plan équatorial
2 fond de la rainure
3 plan médian de la rainure
4 faces latérales de la rainure
NOTE Voir également Figure 1.
Figure 2 — Paramètre d’entaille de la bille rainurée
4 Symboles
Voir Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles
Symbole Unité Nomenclature
D mm diamètre de la bille
F N effort de rupture
F N précharge
f — préfacteur

facteur de correction de la profondeur de la rainure utilisé pour calculer la résistance

f —
de référence

facteur de correction de la largeur de la rainure utilisé pour calculer la résistance de

f —
référence
h mm épaisseur de ligament
l mm profondeur d’entaille
m — module de Weibull d’un lot
n — nombre d'éprouvettes

p , p mm distances auxiliaires pour la détermination de la centricité de la rainure

1 2
R mm rayon moyen du fond de la rainure
R mm rayon de la pointe de la jauge de mesure
R , R mm rayons de fond d’entaille
1 2

r , r mm distances auxiliaires pour la détermination des rayons de fond de rainure

1 2
S mm surface effective
eff
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ISO 19843:2018(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Unité Nomenclature
V mm volume effectif
eff
w mm largeur de la rainure
w mm largeur nominale de la meule
nom
w mm largeur de la lame de mesure
z mm centricité de la rainure
ζ — centricité relative de la rainure
λ — profondeur relative de la rainure
ν — coefficient de Poisson
ρ — rayon relatif du fond de la rainure
σ MPa résistance de la bille rainurée
σ MPa résistance caractéristique d’un lot
σ MPa résistance de référence
Ref
ω — largeur relative de la rainure
5 Description de l’essai

Au cours de la préparation de l’éprouvette, une entaille est meulée centralement dans le plan équatorial

de la bille. Lors de l’essai de résistance suivant, une charge est appliquée aux pôles de la bille rainurée

au moyen de deux enclumes parallèles. Les faces de la rainure sont pressées l’une contre l’autre, en

conséquence de quoi des contraintes de traction sont générées sur la surface opposée au fond de la

rainure. La charge est ensuite augmentée de façon uniforme jusqu’à rupture. La résistance de la bille

rainurée est calculée à partir de l’effort de rupture.

NOTE 1 La contrainte maximale est la première contrainte principale, qui suit une direction parallèle au sens

du chargement.

NOTE 2 Des informations plus détaillées peuvent être trouvées dans les Références [8],[9] et[11].

NOTE 3 Un principe similaire utilisant une rainure en C est décrit dans la Référence [10] dérivée de la

Référence [5].
6 Équipements et appareillages d’essai
6.1 Dispositif de chargement

Le dispositif de chargement se compose de deux plans parallèles (enclumes d’essai) et il doit satisfaire

aux exigences suivantes.

Les surfaces de contact des enclumes d’essai doivent être constituées de plaques en métal rigide ou en

nitrure de silicium d’au moins 10 mm d’épaisseur. Le matériau doit être sélectionné de sorte qu’aucune

empreinte plastique ne puisse demeurer sur les surfaces des enclumes. Les surfaces des enclumes

doivent être alignées perpendiculairement au sens de chargement [voir article «2» à la Figure 1a)]. Le

sens de chargement doit être identique au sens de déplacement de la traverse de la machine d’essai.

Les surfaces des enclumes doivent être lisses et présenter un parallélisme tel que la différence des

surfaces d’enclumes dans le sens de chargement soit inférieure à 0,05 mm par rapport à une longueur

transversale de 50 mm. Au cours du chargement, la rigidité doit être suffisante pour éviter tout

basculement.

La conception des enclumes d’essai doit être choisie afin de ne pas gêner le positionnement de l’éprouvette.

Un exemple est illustré à l’Annexe D. Les points de l’application de la charge B et B' doivent être axiaux

dans l’alignement de l’enclume, c’est-à-dire qu’ils doivent se trouver au centre des faces des enclumes. Les

dimensions des surfaces des enclumes doivent être au moins égales au diamètre de la bille.

© ISO 2018 – Tous droits réservés 7
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ISO 19843:2018(F)

Les contraintes frictionnelles et les mauvaises adaptations des éprouvettes doivent être minimisées.

6.2 Machine d’essai

La machine d’essai doit être capable d’appliquer une force à une vitesse de déplacement de traverse

constante. La machine doit être équipée d’un dispositif permettant d’enregistrer la force appliquée à tout

moment au cours de l’essai. L’incertitude de la machine d’essai doit être conforme à l’ISO 7500-1:2018,

classe 1 (1 % de la charge indiquée) et l’enregistrement doit avoir une sensibilité supérieure à 0,1 % de

la force maximale appliquée.
6.3 Dispositifs de mesurage
6.3.1 Généralités

Les équipements de mesurage suivants sont nécessaires pour la détermination des paramètres:

— micromètre de mesure externe (voir 6.3.2);
— comparateur à cadran mécanique (voir 6.3.3);
— microscope optique (voir 6.3.4);
— jauge de mesure pour de mesurer l’épaisseur du ligament (voir 6.3.5).

Si un autre équipement de mesurage est utilisé, il doit être préalablement approuvé.

6.3.2 Micromètre de mesure externe

Un micromètre conforme à l’ISO 3611, mais avec une exactitude de ± 2 µm ou supérieure, doit être

utilisé pour mesurer des dimensions de l’éprouvette. Les surfaces de mesurage du micromètre doivent

être planes. Ne pas utiliser de pointes de mesurage affûtées afin d’éviter d’endommager l’échantillon.

Pour tout autre dispositif de mesurage de longueur, des restrictions similaires doivent être respectées.

6.3.3 Comparateur à cadran mécanique

Un comparateur à cadran mécanique conforme à l’ISO 463, mais avec une exactitude de ± 10 µm, doit

être utilisé pour mesurer la centricité de la rainure.
6.3.4 Microscope optique

Pour enregistrer les micrographes étalonnés, pour déterminer le paramètre de la rainure, un

microscope de mesure est nécessaire [voir également Figure C.1c)].
6.3.5 Jauge de mesure pour la détermination de l’épaisseur de ligament

Avec un outil de mesurage spécial (jauge ou lame de mesurage) complété d'un support correspondant

(tel qu'illustré à la Figure 3), l’épaisseur de ligament peut être déterminée avec une exactitude suffisante.

Le bord de la lame doit avoir la forme d’un «tranchant de couteau émoussé» et peut comporter un bord

supérieur plat arrondi ou de petite dimension. Pour éviter que le rayon de fond de la entaille n’influence

le mesurage et éviter une forte inclinaison de la bille rainurée au cours du mesurage, la lame de mesure

doit remplir les conditions géométriques données par la Formule (1) et la Formule (2).

R ≤ w/10 (1)
0,7 w ≤ w ≤ 0,95 w (2)
La méthode de mesure de l’épaisseur du ligament est illustrée à la Figure 4.
8 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO 19843:2018(F)
Légende
1 jauge de mesure
2 bord de mesure
3 support
X variante 1 pour le bord de mesure
Y variante 2 pour le bord de mesure

NOTE Les détails du bord de mesure peuvent être exécutés conformément à l’alternative X ou Y

Figure 3 — Jauge de mesurage utilisée pour la détermination de l’épaisseur de ligament avec

support correspondant (3)
6.4 Rectifieuse

La rainure doit, de préférence, être produite à l’aide d’une machine de rectification alternative utilisant

une meule avec couche abrasive diamant (voir également Référence [7]).
6.5 Psychromètre

Un psychromètre de mesure de l’humidité associé à une erreur de mesurage de ± 2 % de l’humidité

relative doit être utilisé.
La méthode de mesure recommandée est décrite dans la Référence [6].
6.6 Séchoir

Une armoire de séchage pouvant être maintenue à une température de 110 ± 5 °C doit être utilisée.

7 Préparation de la bille rainurée
7.1 Nombre d’éprouvettes n

Pour la caractérisation du matériau et l’assurance qualité, au moins n = 10 résultats d’essai valides

doivent être obtenus pour le nombre d’éprouvettes. Pour l’évaluation statistique des valeurs de

résistance (par exemple, paramètres de Weibull), le nombre minimal d’éprouvettes est n = 30.

NOTE Si le nombre d’éprouvettes nominalement identiques est inférieur à 30, les paramètres de Weibull

calculés peuvent comporter un niveau important d’incertitude. Du fait du manque d’exactitude de ces paramètres,

une comparaison des différents lots n’est pas adaptée à ce cas. Pour plus d'informations, voir l’ISO 20501 et la

Référence [9].
7.2 Détermination du diamètre

Les diamètres des billes soumises à essai sont spécifiés par le fabricant ou doivent être déterminés

conformément à l’ISO 3290-2.
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ISO 19843:2018(F)
7.3 Préparation de la rainure
7.3.1 Généralités

La surface d’essai ne doit pas être endommagée par la réalisation de la rainure. La réalisation d’une

rainure par découpe implique généralement des forces i
...

Questions, Comments and Discussion

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