Plastics — Determination of fracture toughness (GIC and KIC) — Linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach

Plastiques — Détermination de la ténacité à la rupture (GIC et KIC) — Application de la mécanique linéaire élastique de la rupture (LEFM)

General Information

Status
Withdrawn
Publication Date
08-Mar-2000
Withdrawal Date
08-Mar-2000
Current Stage
9599 - Withdrawal of International Standard
Start Date
25-Jul-2018
Completion Date
25-Jul-2018
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ISO 13586:2000 - Plastics -- Determination of fracture toughness (GIC and KIC) -- Linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach
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ISO 13586:2000 - Plastiques -- Détermination de la ténacité a la rupture (GIC et KIC) -- Application de la mécanique linéaire élastique de la rupture (LEFM)
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13586
First edition
2000-03-01
Plastics — Determination of fracture
toughness (G and K ) — Linear elastic
IC IC
fracture mechanics (LEFM) approach
Plastiques — Détermination de la tenacité à la rupture (G et K )—
IC IC
Application de la mécanique linéaire élastique de la rupture (LEFM)
Reference number
ISO 13586:2000(E)
ISO 2000
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 13586:2000(E)
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Printed in Switzerland
ii © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 13586:2000(E)
Contents

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

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

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

3 Terms and definitions ...................................................................................................................................2

4 Test specimens..............................................................................................................................................4

5 Testing ............................................................................................................................................................5

6 Expression of results ....................................................................................................................................6

7 Precision.........................................................................................................................................................9

8 Test report ......................................................................................................................................................9

Annex A (normative) Calibration factors ................................................................................................................14

Bibliography..............................................................................................................................................................16

© ISO 2000 – All rights reserved iii
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ISO 13586:2000(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO

member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical

committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has

the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in

liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical

Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.

Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.

Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

International Standard ISO 13586 was prepared by Technical Committee ISO/TC 61, Plastics, Subcommittee SC 2,

Mechanical properties.
Annex A forms a normative part of this of ISO 13586.
iv © ISO 2000 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13586:2000(E)
Plastics — Determination of fracture toughness (G et K )—
IC IC
Linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach
1 Scope

This International Standard specifies the principles for determining the fracture toughness of plastics in the crack-

opening mode (mode I) under defined conditions. Two test methods with cracked specimens are defined, namely

three-point-bending tests and compact-specimen tensile tests in order to suit different types of equipment available

or different types of material.
The methods are suitable for use with the following range of materials:
� rigid and semi-rigid thermoplastic moulding, extrusion and casting materials;
� rigid and semi-rigid thermosetting moulding and casting materials.

Certain restrictions on the linearity of the load-displacement diagram, on the specimen width and on the thickness

are imposed to ensure validity (see 6.4) since the scheme used assumes linear elastic behaviour of the cracked

material and a state of plane strain at the crack tip. Finally, the crack must be sharp enough so that an even

sharper crack will not result in significantly lower values of the measured properties.

2 Normative references

The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of

this International Standard. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these

publications do not apply. However, parties to agreements based on this International Standard are encouraged to

investigate the possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For

undated references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC

maintain registers of currently valid International Standards.
ISO 291:1997, Plastics — Standard atmospheres for conditioning and testing.

ISO 527-1:1993, Plastics — Determination of tensile properties — Part 1: General principles.

ISO 604:1993, Plastics — Determination of compressive properties.
ISO 2818:1994, Plastics — Preparation of test specimens by machining.

ISO 5893:1993, Rubber and plastics test equipment — Tensile, flexural and compression types (constant rate of

traverse) — Description.
© ISO 2000 – All rights reserved 1
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ISO 13586:2000(E)
3 Terms and definitions

For the purposes of this International Standard, the following terms and definitions apply:

3.1
energy release rate

the change in the external work �U and strain energy �U of a deformed body due to enlargement of the cracked

ext S
area �A
ext S
G�� (1)
�A �A
It is expressed in joules per square metre, J/m .
3.2
critical energy release rate

the value of the energy release rate G in a precracked specimen under plane-strain loading conditions, when the

crack starts to grow
It is expressed in joules per square metre, J/m .
3.3
stress intensity factor

the limiting value of the product of the stress �(r) perpendicular to the crack area at a distance r from the crack tip

and of the square root of 2�r, for small values of r
Kr��lim� 2�r (2)
r�0
It is expressed in Pa��m.

The term factor is used here because it is common usage, even though the value has dimensions.

3.4
critical stress intensity factor

the value of the stress intensity factor when the crack under load actually starts to enlarge under a plane-strain

loading condition around the crack tip
It is expressed in Pa��m.

The critical stress intensity factor K of a material is related to its critical energy release rate G by the equation

IC IC
GK� E (3)
IC IC

where E is the modulus of elasticity, determined under similar conditions of loading time (up to crack initiation) and

temperature.
In the case of plane-strain conditions:
E � (4)
1��
2 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 13586:2000(E)
where
E is the tensile modulus (see ISO 527-1);
� is Poisson’s ratio (see ISO 527-1-).
3.5
displacement
the displacement of the loading device, corrected as specified in 5.4
It is expressed in metres, m.
3.6
stiffness
the initial slope of the force-displacement diagram
F I
G J
H K
s�0
It is expressed in newtons per metre, N/m.
3.7
force
the applied load at the initiation of crack growth
It is expressed in newtons, N.
See also subclause 6.1.
3.8
energy
the input energy when crack growth initiates
It is expressed in joules, J.
W is based upon the corrected load-displacement curve.
3.9
crack length

the crack length up to the tip of the initial crack prepared as specified in 4.3.

It is expressed in metres, m.

For three-point-bending test specimens, the crack length is measured from the notched face. For compact tensile-

test specimens, the crack length is measured from the load line, i.e. from the centres of the holes for the loading

pins (see Figures 1 and 3).
The crack length a is normalized by the width w of the test specimen (�=a/w).
© ISO 2000 – All rights reserved 3
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ISO 13586:2000(E)
3.10
energy calibration factor
F I
� aw ��S (5)
bg G J
H K
where
S is the stiffness of the specimen;
� (=a/w) is the normalized crack length (see 3.9).
Values of � (a/w) are given in annex A for both types of specimen.
3.11
geometry calibration factor
Values of f (a/w) are given in annex A for both types of specimen.
3.12
characteristic length
the size of the plastic deformation zone around the crack tip
It is required for checking fulfilment of the size criteria (see 6.4).
4 Test specimens
4.1 Shape and size

Test specimens for three-point-bending tests (also called single-edge-notch bending, SENB) and for compact

tensile (CT) tests shall be prepared in accordance with Figures 1 and 3, respectively. It is usually convenient to

make the thickness h of the test specimens equal to the thickness of a sheet sample and to make the test

specimen width w equal to 2h. The crack length a should preferably be in the range given by 0,45u a/wu 0,55.

4.2 Preparation

Test specimens shall be prepared in accordance with the relevant material International Standard for the material

under test and with ISO 2818. In the case of anisotropic specimens, take care to indicate the reference direction on

each test specimen.
4.3 Notching
Method a), b) or c) can be used for notching:

a) Machine a sharp notch into the test specimen and then generate a natural crack by tapping on a new razor

blade placed in the notch (it is essential to practice this since, in brittle test specimens, a natural crack can be

generated by this process, but some skill is required in avoiding too long a crack or local damage). The length

of the crack thus created shall be more than four times the original notch tip radius.

b) If a natural crack cannot be generated, as in tough test specimens, then sharpen the notch by sliding a razor

blade across the notch. Use a new razor blade for each test specimen. The length of the crack thus created

shall be more than four times the original notch tip radius.
4 © ISO 2000 – All rights reserved
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ISO 13586:2000(E)

c) Cooling tough test specimens and then performing razor tapping is sometimes successful.

Pressing the blade into the notch is not recommended because of induced residual stresses.

4.4 Conditioning

Condition test specimens as specified in the International Standard for the material under test. In the absence of

this information, select the most appropriate set of conditions from ISO 291, unless otherwise agreed upon by the

interested parties.
5 Testing
5.1 Test machine

The machine shall satisfy the requirements of ISO 5893. The load indicator shall show the total load carried by the

test specimen. This device shall be essentially free from inertia lag at the test speeds used. It shall indicate the load

with an accuracy of at least 1 % of the actual value.
5.2 Displacement transducer

The displacement is recorded during the test. The transducer shall be essentially free from inertia lag at the test

speeds used. It shall measure the displacement with an accuracy of 2 % of the relevant length or better. The

effects of the transducer on the load measurements shall either be negligible (that is < 1 %) or they shall be

corrected.
5.3 Loading rigs

A rig with moving rollers is used for three-point-bending (SENB) tests, as shown in Figure 2. Indentation into the

test specimen is minimized by the use of rollers with a large diameter (> w/2). The measurement of the

displacement shall be taken at the centre of the span L (see Figure 2).

For the compact tensile test, the test specimen is loaded by means of two pins in holes in the specimen. The

displacement of the load points during the test is measured, for example by a clip gauge near the pins (see 5.2).

5.4 Displacement correction

The measured displacement s shall be corrected for the indentation of the loading pins, compression of the test

specimen and the machine compliance in order to determine properly the stiffness S of the specimen and the work

W at crack growth initiation. The calibration of the test system shall be performed as follows:

The load-displacement correction curve (see Figure 4) is generated by analogy with the fracture test but by using

unnotched test specimens, as indicated in the Fi
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 13586
Première édition
2000-03-01
Plastiques — Détermination de la ténacité
àlarupture (G et K ) — Application
IC IC
de la mécanique linéaire élastique de
la rupture (LEFM)
Plastics — Determination of fracture toughness (G and K ) — Linear
IC IC
elastic fracture mechanics (LEFM) approach
Numéro de référence
ISO 13586:2000(F)
ISO 2000
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ISO 13586:2000(F)
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ImpriméenSuisse
ii © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 13586:2000(F)
Sommaire Page

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

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

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

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

4 Éprouvettes ....................................................................................................................................................4

5 Essais..............................................................................................................................................................5

6 Expression des résultats ..............................................................................................................................6

7 Fidélité ............................................................................................................................................................9

8 Rapport d'essai ............................................................................................................................................10

Annexe A (normative) Facteurs d'étalonnage........................................................................................................15

Bibliographie .............................................................................................................................................................17

© ISO 2000 – Tous droits réservés iii
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ISO 13586:2000(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux

comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité

technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en

liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission

électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 3.

Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour

vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités

membres votants.

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale 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.

La Norme internationale ISO 13586 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 61, Plastiques, sous-comité

SC 2, Propriétés mécaniques.
L'annexe A constitue un élément normatif de la présente Norme internationale.
iv © ISO 2000 – Tous droits réservés
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NORME INTERNATIONALE ISO 13586:2000(F)
Plastiques— Déterminationdelaténacitéàlarupture(G et
K ) — Application de la mécanique linéaire élastique de la rupture
(LEFM)
1 Domaine d'application

La présente Norme internationale établit les principes qui permettent de déterminer la ténacité à la rupture des

plastiques suivant le mode d’ouverture de la fissure (Mode I), dans des conditions données. Deux méthodes

d'essai utilisant des éprouvettes entaillées sont définies, à savoir les essais de flexion trois points et les essais de

traction sur éprouvette compacte, adaptées à différents types d'appareillages disponibles ou de matériaux.

Ces méthodes ont été choisies de manière à pouvoir être utilisées avec l'éventail suivant de matériaux:

� matériaux thermoplastiques rigides et semi-rigides, pour moulage, extrusion et coulage;

� matériaux thermodurcissables rigides et semi-rigides, pour moulage et coulage.

Certaines limitations portant sur la linéarité du diagramme charge-déplacement, sur la largeur et l'épaisseur de

l'éprouvette s'imposent pour garantir la validité des résultats (voir 6.4) puisque la méthode utilisée est basée sur

l'hypothèse selon laquelle le matériau entaillé présente un comportement linéaire élastique, avec déformation

plane à la pointe de la fissure. Il faut que la fissure soit suffisamment aiguë pour que les valeurs qu'elle permet

d'obtenir pour les propriétés mesurées ne soient pas sensiblement plus élevées que celles que l'on obtiendrait

avec une fissure encore plus aiguë.
2 Références normatives

Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui y est faite,

constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale. Pour les références datées, les

amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes

aux accords fondés sur la présente Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les

éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière

édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de l'ISO et de la CEI possèdent le registre des

Normes internationales en vigueur.
ISO 291:1997, Plastiques — Atmosphères normales de conditionnement et d'essai.

ISO 527-1:1993, Plastiques — Détermination des propriétés en traction — Partie 1: Principes généraux.

ISO 604:1993, Plastiques — Détermination des propriétés en compression.
ISO 2818:1994, Plastiques — Préparation des éprouvettes par usinage.

ISO 5893:1993, Appareils d'essai du caoutchouc et des plastiques — Types pour traction, flexion et compression

(vitesse de translation constante) — Description.
© ISO 2000 – Tous droits réservés 1
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ISO 13586:2000(F)
3 Termes et définitions

Pour les besoins de la présente Norme internationale, les termes et définitions suivants s’appliquent.

3.1
taux de restitution d’énergie

variation du travail des forces extérieures �U et de l’énergie de déformation �U d’un corps déformé, sous l’effet

ext S
de l’accroissement de la surface de la fracture �A
ext S
G�� (1)
�A �A
Ce taux est exprimé en joules par mètre carré, J/m .
3.2
taux de restitution d’énergie critique

valeur du taux de restitution d'énergie G pour une éprouvette préentaillée, dans des conditions de mise en charge

induisant une déformation plane, lorsque la fissure commence à se propager
Ce taux est exprimé en joules par mètre carré, J/m .
3.3
facteur d’intensité de contrainte

valeur limite du produit de la contrainte�(r) appliquée perpendiculairement à la surface de la fissure à une distance

r de la pointe de la fissure, par la racine carrée de 2�r et pour de faibles valeurs de r

Kr��lim �af 2�r (2)
r�0
Ce facteur est exprimé en pascals mètres à la puissance un demi, Pa��m.

Le terme facteur est utilisé ici car il est d’usage courant, même s’il a des dimensions.

3.4
facteur d’intensité de contrainte critique

valeur du facteur d’intensité de contrainte lorsque la fissure soumise à la charge commence à s’accroître dans des

conditions de mise en charge induisant un état de déformations planes au voisinage de la pointe de la fissure

Ce facteur est exprimé en pascals mètres à la puissance un demi, Pa��m.

Le facteur d’intensité de contrainte critique K qui caractérise un matériau donné est lié à son taux de restitution

d’énergie critique G par l'équation
G � (3)

où E est le module d’élasticité, déterminé dans des conditions de temps (jusqu’à l’apparition de la fissure) et de

température similaires.
Dans des conditions entraînant un état de déformations planes:
E � (4)
1� �
2 © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 13586:2000(F)
E est le module de traction (voir ISO 527-1);
μ est le coefficient de Poisson (voir ISO 527-1).
3.5
déplacement
déplacement du dispositif de mise en charge, corrigé comme spécifié en 5.4
Le déplacement est exprimé en mètres, m.
3.6
rigidité
pente initiale de la courbe force-déplacement
F I
G J
H K
s�0
La rigidité est exprimée en newtons par mètre, N/m.
3.7
force
charge appliquée au début de la propagation de la fissure (amorçage)
La force est exprimée en newtons, N.
Voir aussi 6.1.
3.8
énergie
énergie d’amorçage au moment où la fissure commence à se propager
L’énergie est exprimée en joules, J.
W est fondée sur la courbe charge-déplacement corrigée
3.9
longueur de fissure

longueur de la fissure jusqu'à la pointe de la fissure initiale, préparée comme spécifié en 4.3

Cette longueur est exprimée en mètres, m.

Pour les éprouvettes soumises aux essais de flexion trois points, la longueur de fissure est mesurée à partir de la

face entaillée. Pour les éprouvettes compactes soumises aux essais de traction, la longueur de fissure est

mesurée à partir de la droite de chargement, c'est-à-dire à partir du centre des orifices réservés aux broches de

chargement (voir Figures 1 et 3).

La longueur de fissure a est normalisée par rapport à la largeur w de l'éprouvette (� = a/w).

© ISO 2000 – Tous droits réservés 3
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ISO 13586:2000(F)
3.10
facteur d’étalonnage du taux de restitution d’énergie
F I
� aw ��S (5)
bg G J
H K
S estlarigiditédel’éprouvette;
� = a/w est la longueur de fissure normalisée (voir 3.9).

Les valeurs de� (a/w) sont données dans l'annexe A pour les deux types d'éprouvettes.

3.11
facteur d'étalonnage lié à la géométrie

Les valeurs de f (a/w) sont données dans l'annexe A pour les deux types d'éprouvettes.

3.12
longueur caractéristique

dimensions de la zone de déformation plastique au voisinage de la pointe de la fissure

Cette longueur est nécessaires pour vérifier que les critères dimensionnels sont satisfaits (voir 6.4).

4 Éprouvettes
4.1 Forme et dimensions

Les éprouvettes soumises aux essais de flexion trois points [également appelées éprouvettes de flexion à entaille

latérale (SENB)] et les éprouvettes compactes soumises aux essais de traction (CT) doivent être préparées

conformément aux Figures 1 et 3, respectivement. Il s'avère généralement utile que l'épaisseur h des éprouvettes

soit égale à l'épaisseur d'un échantillon de la plaque et que leur largeur w soit égale à 2h. Il convient que la

longueur de la fissure a se situe de préférence à l'intérieur des limites données par 0,45u a/wu 0,55.

4.2 Préparation

Les éprouvettes doivent être préparées conformément à la Norme internationale relative au matériau soumis à

l’essai, et conformément à l'ISO 2818. Dans le cas d’éprouvettes anisotropes, veiller à indiquer la direction de

référence sur chaque éprouvette.
4.3 Réalisation de l’entaille
Les méthodes a), b) et c) peuvent être utilisées pour réaliser l'entaille:

a) Usiner une entaille aiguë dans l'éprouvette, puis réaliser une fissure naturelle en tapant légèrement sur une

lame de rasoir neuve placée dans l'entaille (il est essentiel de procéder ainsi puisque cette méthode permet

d'obtenir une fissure naturelle avec des éprouvettes fragiles, cependant un certain savoir-faire est nécessaire

pour éviter la formation d'une trop longue fissure ou d'une détérioration locale). L'augmentation de la longueur

de la fissure ainsi obtenue doit être supérieure à quatre fois le rayon original de la pointe de l'entaille.

4 © ISO 2000 – Tous droits réservés
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ISO 13586:2000(F)

b) Si l'on ne peut pas obtenir de fissure naturelle, comme dans le cas d'éprouvettes tenaces, l'entaille doit être

effilée en faisant glisser une lame de rasoir à travers l'entaille. Utiliser une lame de rasoir neuve pour chaque

éprouvette. L'augmentation de la longueur de la fissure ainsi obtenue doit être supérieure à quatre fois le

rayonoriginaldelapointedel'entaille.

c) Le refroidissement des éprouvettes tenaces, suivi de petits coups donnés sur la lame de rasoir, donne parfois

de bons résultats.

Il est déconseillé de forcer la lame à entrer dans l'entaille en raison des contraintes résiduelles induites.

4.4 Conditionnement

Conditionner les éprouvettes conformément aux spécifications de la Norme internationale relative au matériau

soumis à l'essai. À défaut de spécifications, choisir le mode de conditionnement le plus approprié dans l'ISO 291,

sauf si un accord différent a été conclu par les parties intéressées.
5 Essais
5.1 Machine d'essai

La machine doit satisfaire aux conditions données dans l'ISO 5893. L'indicateur de charge doit indiquer la charge

totale supportée par l'éprouvette. Ce dispositif doit être pratiquement exempt de tout effet d'inertie aux vitesses

d'essai utilisées. Il doit indiquer la charge avec une exactitude d'au moins 1 % de la valeur réelle.

5.2 Capteur de déplacement

Le déplacement est enregistré pendant l'essai. Le capteur ne doit pratiquement pas subir d’effet d'inertie aux

vitesses d'essai utilisées. Il doit mesurer le déplacement avec une exactitude d'au moins 2 % de la longueur

appropriée. Il convient que les effets du capteur sur les valeurs de mesure de la charge soient négligeables

(c'est-à-dire < 1 %); sinon, il faut les corriger.
5.3 Montages de mise en charge

Pour les essais de flexion trois points (SENB), on utilise un montage comportant des rouleaux mobiles, comme

représenté à la Figure 2. La pénétration dans l'éprouvette est réduite au minimum par l'utilisation de rouleaux d'un

fort diamètre (> w/2). Le déplacement doit être mesuré au centre de la portée L (voir Figure 2).

En ce qui concerne l'essai de traction avec éprouvette compacte, l'éprouvette est chargée par l'intermédiaire de

deux axes placés dans les orifices pratiqués dans l'éprouvette. On mesure le déplacement des points d'application

de la charge pendant l'essai, au moyen, par exemple, d'un extensomètre à lames monté au voisinage des appuis

(voir 5.2).
5.4 Correction due au déplacement

La valeur de mesure du déplacement s doit être corrigée du fait de la pénétration des rouleaux de chargement, de

la compression de l'éprouvette et de la complaisance de la machine pour parvenir à une détermination correcte de

la rigidité S de l'éprouvette et de l’énergie W au début de la propagation de la fissure. L'étalonnage du système

d'essai doit être réalisé de la manière suivante.

La courbe de correction charge-déplacement (voir Figure 4) est obtenue comme pour l'essai de rupture en utilisant,

cependant, des éprouvettes non entaillées, conformément aux indications portées sur les Figures 5 et 6. Les

...

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