Metallic materials — Determination of plane-strain fracture toughness

Method for determining the plan-strain fracture toughness of homogeneous metallic materials using a specimen that is notched and precracked by fatigue.

Matériaux métalliques — Détermination du facteur d'intensité de contrainte critique

General Information

Status
Withdrawn
Publication Date
13-Nov-1996
Withdrawal Date
13-Nov-1996
Current Stage
9599 - Withdrawal of International Standard
Start Date
29-Jul-2005
Completion Date
29-Jul-2005
Ref Project

RELATIONS

Buy Standard

Standard
ISO 12737:1996 - Metallic materials -- Determination of plane-strain fracture toughness
English language
17 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview
Standard
ISO 12737:1996 - Matériaux métalliques -- Détermination du facteur d'intensité de contrainte critique
French language
17 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview
Standard
ISO 12737:1996 - Matériaux métalliques -- Détermination du facteur d'intensité de contrainte critique
French language
17 pages
sale 15% off
Preview
sale 15% off
Preview

Standards Content (sample)

INTERNATIONAL
IS0
STANDARD
12737
First edition
1996-I I-1 5
Metallic materials - Determination
of plane-strain fracture toughness
Mat&-iaux m&alliques - Determination du facteur d’intensitti
de con train te critique
Reference number
IS0 12737:1996(E)
---------------------- Page: 1 ----------------------
IS0 12737:1996(E)
Page
Contents

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

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

..................................................................................

3 Definitions
..........................................................
4 Symbols and designations

5 Principle ......................................................................................

...................................................................................

6 Apparatus
.................... 5
7 Test specimen size, configuration and preparation

...................................................................................

8 Procedure
...........................................................................
9 Test procedure
..................................... 8
10 Calculation and interpretation of results

..................................................................................

11 Test report
Annexes
......... 10
Fatigue precracking of K,, fracture toughness specimens
...................................................................
Bend test specimen
.....................................................................
Compact specimen

Test fixtures ................................................................................

Bibliography ................................................................................

0 IS0 1996

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be

reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including

photocopying and microfilm, without permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
---------------------- Page: 2 ----------------------
@ IS0 IS0 12737:1996(E)
Foreword
IS0 (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national standards bodies (IS0 member bodies). The work of
preparing International Standards is normally carried out through IS0
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. IS0
collaborates closely with the International Electrotechnical Commission
(IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
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.
International Standard IS0 12737 was prepared by Technical Committee
ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee SC 4, Toughness
tes thg.
Annexes A to C form an integral part of this International Standard.
Annexes D and E are for information only.
---------------------- Page: 3 ----------------------
This page intentionally left blank
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD @ IS0 IS0 12737:1996(E)
Metallic materials - Determination of plane-strain fracture
toughness
1 Scope

This International Standard specifies the method for determining the plane-strain fracture toughness of

homogeneous metallic materials using a specimen that is notched and precracked by fatigue, and subjected to

slowly increasing crack displacement force.
2 Normative references

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

International Standard. At the time of publication, the editions indicated were valid. All standards are subject to

revision, and parties to agreements based on this International Standard are encouraged to investigate the

possibility of applying the most recent edition of the standards indicated below. Members of IEC and IS0 maintain

registers of currently valid International Standards.

IS0 7500-I : 1986, Metallic materials - Verification of static uniaxial testing machines - Part I: Tensile testing

machines.

IS0 9513:1989, Metallic materials - Verification of extensome ters used in uniaxial testing.

3 Definitions

For the purposes of this International Standard, the following definitions apply.

3.1 plane-strain stress intensity factor, Kl: Magnitude of the elastic stress field at the tip of a crack subjected

to opening mode displacement (mode I). It is a function of applied force and test specimen size, geometry, and

crack length, and has the dimensions of force times length-V

3.2 plane-strain fracture toughness, K,,: Measure, by the operational procedure of this method, of a material’s

resistance to crack extension when the state of stress near the crack tip is predominantly plane strain and plastic

deformation is limited.

NOTE - It is the critical value of Iy, at which significant crack extension occurs on increasing load with high constraint to

plastic deformation.
---------------------- Page: 5 ----------------------
@ IS0
IS0 12737:1996(E)

3.3 crack plane orientation: Method for relating the plane and direction of crack extension to the characteristic

directions of the product.

NOTE - A hyphenated code is used wherein the letter(s) preceding the hyphen represent(s) the direction normal to the crack

plane and the letter(s) following the hyphen represent(s) the anticipated direction of crack extension (see figure 1). For wrought

metals, the letter X always denotes the principal direction of grain flow, Z the direction of principal working force, and Y the

direction normal to the X-Z plane. If specimen directions do not coincide with the product’s characteristic directions, then two

letters are used to denote the normal to the crack plane and/or the expected direction of crack extension [see figure 1 b)]. If

there is no grain flow direction (as in a casting), reference axes may be arbitrarily assigned but must be clearly identified.

3.4 notch opening displacement, V: Displacement measured at or near the notch mouth.

4 Symbols and designations

For the purposes of this International Standard the following symbols apply (see also figures 1, 2 and 4).

Designation
Symbol Unit
a mm Crack length
mm Specimen thickness
E MPa Young’s modulus
F kN Applied force
Particular value of F (see figure 4)
Fcr
kN Particular value of F (see figure 4)
Mpa.m I/*‘)
Maximum stress intensity factor during the final stage of fatigue cracking
MPa.m 112 Provisional value of K,,
Opening mode stress intensity factor (mode I)
MPa.m 112
MPa.m 112 Critical value of K, (plane-strain fracture toughness)
R Ratio of minimum to maximum fatigue cracking force during any single cycle
of fatigue operation
MPa 0,2 % offset yield strength
RP0,2
S mm Span between outer loading points
V mm Notch opening displacement
Width for bend specimen or effective width for compact specimen
W mm
MPa.m 112 Difference between maximum and minimum values of K, during any single
cycle of fatigue operation
I) 0,031 6 MPa.ml/* = 1 N+mm--3/* = 0,031 6 MN-m-312
5 Principle

This method covers the determination of the plane strain fracture toughness (K,,) of metallic materials by

increasing-force tests of fatigue-precracked test specimens. Details of the test specimens and experimental

procedures are given in annexes B and C. Force versus notch opening displacement is recorded autographically,

or converted to digital form for accumulation in a computer information storage facility and subsequent processing.

The force corresponding to 2 % apparent crack extension is established by a specified deviation from the

linear portion of the test record. If certain validity requirements are satisfied, the value of Klc is calculated from this

force.
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 12737:1996(E)
Grain flow
flow
a) Basic identification
b) Non-basic identlflcation
Z Y
Z-Y Z
J z-x
z Y
x Y
X-Y
x-z
c) Radial grain flow, axial working direction
d) Axial grain flow, radial working direction
Figure 1 - Crack plane identification

The property K,, characterizes the resistance of a material to fracture in the presence of a sharp crack under severe

tensile constraint, such that
a) the state of stress near the crack front approaches plane strain; and

b) the crack-tip plastic zone is small compared to the crack size, specimen thickness, and ligament ahead of the

crack.

K,, is believed to represent a lower limiting value of fracture toughness in the environment and at the temperature

of test.

Cyclic or sustained loads can cause crack extension at KI values less than K,,. Crack extension under cyclic or

sustained loads can be influenced by temperature and environment. Therefore when Kr, is applied to the design of

service components, differences between laboratory test and field conditions should be considered.

---------------------- Page: 7 ----------------------
@ IS0
IS0 1’2737: 1996(E)

With plane-strain fracture toughness testing, there can be no advance assurance that a valid Kr, will be determined

in a particular test.
6 Apparatus
6.1 Testing machine and load measurement

The testing machine shall be calibrated in accordance with IS0 7500-I and shall be of at least grade 1. The testing

machine shall have provisions for autographic recording of the force applied to the specimen; alternatively, a

computer data acquisition system may be used to record load and displacement for subsequent analysis. The

combination of load-sensing device and recording system shall permit the force FQ (as defined in clause IO) to be

determined from the test record to & 1 %.
6.2 Fatigue cracking machine

When possible, the fatigue machine and load-indicating device shall be calibrated statically in accordance with

IS0 7500-I and shall have a grade of at least 2. If the machine cannot be calibrated statically, the applied force shall

be known to + 2,5 %. Careful alignment of the specimen and fixturing is necessary to encourage straight fatigue

cracks. The fixturing shall be such that the stress distribution is uniform across the specimen thickness and

symmetrical about the plane of the prospective crack.
6.3 Displacement gauge

The displacement gauge electrical output shall represent the relative displacement (V) of two precisely located

gauge positions spanning the notch mouth. The design of the displacement gauge and knife edges shall allow free

rotation of the points of contact between the gauge and the specimen.

The displacement gauge shall be calibrated in accordance with IS0 9513, as interpreted in relation to this method,

and shall be of at least class 1; however, calibration shall be performed at least weekly during the time the gauge is

in use. Periodic verification of greater frequency may be required depending on use and agreement between

contractual parties.

Verification of the gauge shall be performed at the temperature of test to + 5 OC. Response of the gauge shall

correspond to the calibration apparatus to +, 0,003 mm for displacements up to 0,3 mm and + 1 %- for higher

values.

ion of an absolute displacement value is not necessary since only changes in displacement are used

The determinai ti

in this method. Two proven designs of displacement gauge are given in [I] and [Z] (see annex E) and similar gauges

are commercia ly available.
6.4 Testing fixtures

The bend test shall be performed using a fixture designed to minimize friction effects by allowing the support

rollers to rotate and translate slightly as the specimen is loaded, thus achieving rolling contact. A design suitable for

testing bend specimens is shown in figure D.l .
A loading clevis suitable for testing compact specimens is shown in figure D.2.
---------------------- Page: 8 ----------------------
@ IS0 IS0 12737:1996(E)
7 Test specimen size, configuration and preparation
7.1 Specimen size

In order for a result to be considered valid according to this method, the specimen thickness (B), crack length (a),

is the 0,2 % offset yield strength of
and ligament length (w-a) must all be not less than 2,5(KI,/XP0 #I where RPO 2

the material in the environment and at the temperature of test. Meeting this requirement cannot be ensured in

advance, thus specimen dimensions should be conservatively established for the first test in a series. If the form of

the available material is such that it is not possible to obtain a test specimen with thickness, crack length and

*, then it is not possible to make a valid K,, measurement
ligament length equal to or greater than 2,5(K,,lRP0 *)
according to this method.
7.2 Recommended specimen proportions
72.1 Recommended specimens

The recommended specimens are shown in figures B.l and C.I. Width (W) is nominally twice the thickness (B).

Crack length (a) is between 0,45 and 0,55 times the width.
7.2.2 Alternative proportions

In certain cases it may be necessary or desirable to use specimens having W/B ratios other than 2, and alternative

proportions are allowed (see annex B or C). Specimens having alternative proportions shall nevertheless have the

same crack length-to-width (a/W) ratio as the recommended specimens.
7.2.3 Alternative specimen configurations (for information only)

By prior agreement, alternative specimen configurations and their associated methods of analysis may be used

provided that they be accepted as national standards for K,, testing by an IS0 member body, including those

standards which have the multiple purpose of measuring K,, along with J and/or CTOD (crack tip opening

displacement) properties.
7.2.4 Fatigue crack starter notch

TWO fatigue crack starter notch configurations are shown in figures 2 a) and 2 b). The suggested root radius for the

straight-through slot terminating in a V-notch is 0,lO mm or less. For the chevron form of notch, the suggested root

radius is 0,25 mm or less. The method of notch preparation is discretionary. The starter notch (plus fatigue crack)

must lie within the envelope shown in figure 2 c) (see annex A).

Two types of knife edges for attaching the displacement gauge are illustrated in figure 3.

7.3 Specimen preparation and fatigue precracking
7.3.1 Material condition

All specimens shall be tested in the finally heat-treated, mechanically-worked and environmentally-conditioned

state. Normally, specimens shall also be machined in this final state. However, for material that cannot be

machined in the final condition, the final treatment may be carried out after machining provided that the required

dimensions and tolerances on specimen size, shape and overall surface finish are met (see figures B.l and C.l),

and that full account is taken of the effe
...

ISO
NORME
INTERNATIONALE 12737
Première édition
1996-I l-l 5
Matériaux métalliques - Détermination
du facteur d’intensité de contrainte critique
Me tallic ma terials - Determination of plane-strain fracture toughness
Numéro de référence
ISO 12737:1996(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 12737:1996(F)
Page
Sommaire
................................................................
1 Domaine d’application

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

3 Définitions ..................................................................................

.................................................
4 Symboles et leurs significations

5 Principe .......................................................................................

6 Appareillage ................................................................................

......... 5
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
.........................................................................
8 Mode opératoire
............................................................. 8
9 Mode opératoire d’essai
.......................................... 8
10 Calcul et interprétation des résultats

II Rapport d’essai ...........................................................................

Annexes
Préfissuration par fatigue d’éprouvettes pour la détermination

..........................................................................................

de 4,

Éprouvette de flexion .................................................................

................................................................. 13
Éprouvette compacte
....................................................................... 15
Dispositifs d’essai

Bibliographie ...............................................................................

- .
0 60 1996

Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publi-

cation ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun pro-

cédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord

écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 l CH-1 211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
---------------------- Page: 2 ----------------------
@ ISO ISO 12737:1996(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’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 gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
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.
La Norme internationale ISO 12737 a été élaborée par le comité technique
ISOnC 164, Essais mécaniques des métaux, sous-comité SC 4, Essais de
ténacité.
Les annexes A à C font rtie intégrante de la présente Norme inter-
nationale. Les annexes D et E sont données uniquement à titre d’ infor-
mation.
. . .
Ill
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE @ ISO ISO 12737:1996(F)
Matériaux métalliques - Détermination du facteur
d’intensité de contrainte critique
1 Domaine d’application

La présente Norme internationale prescrit une méthode pour la détermination du facteur d’intensité de contrainte

critique des matériaux homogènes métalliques sur une éprouvette entaillée et préfissurée par fatigue, soumise à

une force faiblement croissante.
2 Références normatives

Les normes suivantes contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui en est faite, constituent des

dispositions valables pour la présente Norme internationale. Au moment de la publication, les éditions indiquées

étaient en vigueur. Toute norme est sujette a révision et les parties prenantes des accords fondés sur la présente

Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes des normes

indiquées ci-après. Les membres de la CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur

à un moment donné.
Vérification des machines pour essais statiques uniaxiaux - Partie 1:
ISO 7500-I : 1986, Matériaux métalliques -
Machines d’essai de traction.
Vérification des extensomètres utilisés lors d’essais uniaxiaux.
ISO 9513: 1989, Matériaux métalliques -
3 Définitions

Pour les besoins de la présente Norme internationale, les définitions suivantes s’appliquent.

3.1 facteur d’intensité de contrainte, Kl: Grandeur du champ de contrainte élastique à l’extrémité de la fissure

soumise à un chargement en mode d’ouverture (mode I), dont la valeur dépend de la force appliquée, des

dimensions et de la forme de l’éprouvette, ainsi que de la longueur de la fissure, et a les dimensions d’une force

multipliée par une longueur à la puissance moins trois demis.
3.2 facteur d’intensité de contrainte critique, Klc:
Mesure, par le mode opératoire de la présente méthode, de

la résistance à la propagation d’une fissure d’un matériau lorsqu’il y a un état plan de déformation à proximité du

front de celle-ci et que la déformation plastique est limitée.

NOTE - C’est la valeur critique de K, pour laquelle se produit une propagation significative de la fissure sous l’effet d’une

forte contrainte croissante en régime plastique.
---------------------- Page: 5 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)

3.3 orientation du plan de la fissure: Méthode permettant de lier le plan et la direction de propagation de la

fissure aux caractéristiques d’anisotropie du matériau.

NOTE - Le code utilisé comporte un trait d’union. La ou les lettres qui précèdent ce trait d’union représentent la direction

perpendiculaire au plan de la fissure, celle ou celles qui le suivent représentent la direction prévue de la propagation de la

fissure (voir figure 1). En ce qui concerne les métaux corroyés, la lettre X indique toujours la direction principale d’écoulement

des grains, Z indique la direction de la force appliquée, et Y indique la direction perpendiculaire au plan X-Z. Lorsque

l’orientation de l’éprouvette ne coïncide pas avec les directions caractéristiques du produit, on utilise deux lettres pour indiquer

la normale au plan de la fissure et/ou à la direction prévue de sa propagation [voir figure 1 b)]. En l’absence de fibrage (cas

d’une pièce moulée), les axes de référence peuvent être arbitraires mais doivent être clairement identifiés.

3.4 variation de l’ouverture de l’entaille, V: Variation mesurée sur ou a proximité des lèvres de l’entaille.

4 Symboles et leurs significations

Pour les besoins de la présente Norme internationale, les symboles suivants s’appliquent (voir également figures 1,

2 et 4).
Signification
Symbole Unité
a Longueur de la fissure
mm Épaisseur de l’éprouvette
E MPa Module d’Young
F kN Charge appliquée
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
Mpa.m 1/2 *)
Facteur d’intensité de contrainte maximal au cours du stade final de la
fissuration par fatigue
MPa-m 1/2 Valeur provisoire de Klc
MPa*m 1/2 Facteur d’intensité de contrainte en mode d’ouverture (mode 1)
MPa*m 112 Valeur critique de Kl (facteur d’intensité de contrainte critique)
R Rapport de la charge maximale à la charge minimale appliquées en
fissuration par fatigue pendant un cycle de contrainte
MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 %
RP0.2
S mm Portée entre les points d’application de la charge
V mm Variation de l’ouverture de l’entaille

W mm Largeur de l’éprouvette de flexion ou largeur utile de l’éprouvette compacte

MPa-m 112 Différence entre les valeurs maximale et minimale de Kl pendant un cycle de

fatigue
*) 0,031 6 MPa.ml/* = 1 N.mm-+* = 0,031 6 MN-m-312
5 Principe

L’essai porte sur la détermination de la valeur critique du facteur d’intensité de contrainte (Klc) de matériaux

métalliques par augmentation de la charge sur des éprouvettes préfissurées en fatigue. Les détails concernant les

éprouvettes et le mode opératoire sont donnés dans les annexes B et C. La courbe charge/déplacement des bords

de l’entaille est enregistrée automatiquement sur un graphique ou convertie sous forme numérique et mise en

mémoire dans un ordinateur pour traitement ultérieur. La charge correspondant à un accroissement apparent de

2 % de la dimension de la fissure est déterminée par un écart spécifié par rapport a la portion linéaire de la courbe

enregistrée. Lorsque certaines exigences de validité ont été établies, la valeur de Kl, peut être calculée à partir de

cette charge.
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 12737:1996(F)
Fibraae
mage
a) Identlflcation classique b) Identification particulike
zx ?Q
4 I
X Z
d) Fibrage axial, travail radial
CI Flbrage radial, travail axial
Figure 1 - Identification du plan de la fissure

La valeur de K,, détermine la résistance à la fissure d’un matériau présentant une fissure aiguë de fatigue sous une

forte contrainte de traction, de manière que

a) l’état de la contrainte à proximité du front de fissure soit proche d’une déformation plane; et que

b) la zone plastique de l’extrémité de la fissure soit petite par rapport à la dimension de la fissure, à l’épaisseur de

l’éprouvette et au ligament situé à l’avant de la fissure.

La valeur de K,, représente la valeur inférieure limite de la ténacité de rupture correspondant aux conditions de la

température et de l’environnement de l’essai.

Des charges cycliques peuvent provoquer une propagation des fissures pour des valeurs de KI inférieures à IC,,.

L’extension de la longueur de la fissure soumise à une charge cyclique ou statique peut être influencée par la

température et l’environnement de l’essai. En conséquence, avant d’appliquer KI, pour la conception d’éléments, il

faut savoir si les conditions d’utilisation réelles sont différentes de celles des essais en laboratoire.

---------------------- Page: 7 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)

On ne peut pas, lors des essais de détermination du facteur d’intensité critique, être assuré à l’avance qu’une

mesure valable de K,, sera toujours obtenue.
6 Appareillage
6.1 Machine d’essai et mesure de la charge

La machine d’essai doit être étalonnée conformément à I’ISO 7500-I et doit être au moins de la classe 1. Elle doit

pouvoir donner un enregistrement graphique de la charge appliquée à l’éprouvette ou être raccordée à un système

informatique d’acquisition de données permettant d’enregistrer les charges et les déplacements pour une analyse

ultérieure. La combinaison d’un capteur de charge et d’un enregistreur doit permettre de déterminer la charge F0

(définie dans l’article 10) à partir de l’enregistrement de l’essai avec une précision de + 1 %.

6.2 Machine de fissuration par fatigue

La machine de fissuration par fatigue et le dispositif indicateur de charge doivent, si possible, être étalonnés

conformément à I’ISO 7500-I et doivent être au moins de la classe 2. Si la machine de fissuration ne peut pas être

étalonnée en statique, la charge appliquée doit être connue avec une précision de + 25 %. Un alignement soigneux

de l’éprouvette et du montage est nécessaire pour promouvoir des fissures de fatigue droites. Le montage doit

être tel que la contrainte soit uniforme dans toute l’épaisseur de l’éprouvette et symétrique par rapport au plan de

l’entaille.
6.3 Capteur de déplacement

Le capteur de déplacement doit indiquer le déplacement relatif (V) de deux points disposés avec précision de part

et d’autre de l’entaille. Sa conception, ainsi que celle des lames, doit permettre une libre rotation des points de

contact entre le capteur et les lames.

Le capteur de déplacement doit être étalonné conformément à I’ISO 9513, pertinente à cette technique, et doit

être au moins de la classe 1; néanmoins, cet étalonnage doit être renouvelé au moins une fois par semaine

pendant la période d’utilisation du capteur. Des étalonnages plus fréquents peuvent être requis en fonction de la

fréquence d’utilisation du capteur et des accords contractuels.

La vérification du capteur doit être exécutée à la température de l’essai avec une précision absolue de k 5 OC.

L’étalonnage du capteur doit correspondre à la même mesure de l’appareil d’étalonnage avec une précision absolue

de k 0,003 mm jusqu’à 0,3 mm de déplacement et une précision relative de + 1 % pour les déplacements plus

grands.

La détermination d’une valeur absolue du déplacement n’est pas nécessaire étant donné qu’on ne mesure que

des variations relatives de déplacement. Deux conceptions de capteurs ayant fait leur preuve sont décrites dans

les références bibliographiques [l] et [2] (voir annexe E) et des capteurs similaires sont disponibles dans le

commerce.
6.4 Dispositifs d’essai

L’essai de flexion doit être effectué à l’aide d’un dispositif conçu pour minimiser les forces de frottement en

permettant aux rouleaux supports de tourner et de se déplacer légèrement transversalement lorsque l’éprouvette

est chargée, ce qui assure le maintien d’un contact par roulement. Un appareillage adapté à l’essai en flexion est

représenté a la figure D.l .

Un dispositif de chargement à étriers adapté aux éprouvettes compactes est représenté à la figure D.2.

---------------------- Page: 8 ----------------------
@ ISO ISO 12737:1996(F)
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
7.1 Dimensions de l’éprouvette

Pour que le résultat du facteur d’intensité de contrainte critique soit considéré valable, l’épaisseur (B) de

l’éprouvette, la longueur,de la fissure (a) et celle du ligament (W-a) doivent être supérieures à 2,5(K,,/Rr,0 #, où

R,, 2 est la contrainte limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % correspondant aux conditions de la température et

de ‘l’environnement de l’essai. Le respect de ces exigences ne peut pas être garanti à l’avance. Aussi est-il

conseillé, pour le premier essai d’une série, de sélectionner une éprouvette de dimensions supérieures. Si la forme

du matériau disponible est telle qu’il n’est pas possible d’obtenir une éprouvette dont l’épaisseur, la longueur de la

une mesure valable de KI, selon cette méthode est
fissure et celle du ligament soient supérieures à 2,5(K,,/R,0 2)2,
impossible.
7.2 Proportions recommandées pour les éprouvettes
7.2.1 Éprouvettes recommandées

Les éprouvettes recommandées sont représentées aux figures B.l et C.I. La largeur (W) est le double de

l’épaisseur nominale (B). La longueur (a) de la fissure (entaille + fissure de fatigue) est comprise entre 0,45 et 0,55

fois la largeur.
7.2.2 Autres proportions

Dans certains cas, il peut être nécessaire ou souhaitable d’utiliser des éprouvettes présentant un rapport W/B

différent de 2. D’autres proportions sont donc admises (voir l’annexe appropriée B ou C). Toutefois, le rapport

longueur de fissure/largeur des éprouvettes (a/W) doit être identique à celui des éprouvettes recommandées.

7.2.3 Autres configurations des éprouvettes (uniquement à titre d’information)

Après accord préalable, il est possible, pour les mesures de Kl,, d’utiliser des éprouvettes de configurations

différentes et d’appliquer les méthodes d’analyse associées. Toutefois, ces méthodes, y compris les normes

appliquées pour mesurer K,, ainsi que les valeurs critiques de J et./ou du CTOD (crack tip opening displacement),

doivent avoir été approuvées en tant que normes nationales par un comité membre de I’ISO.

7.2.4 Entaille pour l’amorçage de la fissure de fatigue

Deux configurations d’entaille pour l’amorçage des fissures de fatigue sont représentées aux figures 2 a) et 2 b). II

est conseillé, pour une entaille droite terminée par un V, de sélectionner un rayon à fond d’entaille égal ou inférieur

a 0,lO mm alors que, pour une entaille a chevrons, ce même rayon peut être égal ou inférieur a 0,25 mm. La

méthode de réalisation de l’entaille est laissée au choix de l’utilisateur. L’entaille et la fissure de fatigue doivent se

trouver a l’intérieur de l’enveloppe représentée à la figure 2 c) (voir annexe A).

Deux types de lames de couteau pour la fixation du capteur de déplacement sont représentés à la figure 3.

---------------------- Page: 9 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)
Largeur de l'en taille
Largeur de l’entaille
+ 0,005 w
r(voir note 1)
rIvoir note 1)
0,005 w
LFissure par fatigue
IFissure par fatigue
(voir note 2)
(voir note 2)
cl Enveloppe
b) Entatlle 3 chevrons
a) Entalllc droltc
NOTES
La largeur de l’entaille ne doit

1 L’entaille d’amorçage de fissure doit être perpendiculaire aux surfaces de l’éprouvette à + 2’.

pas dépasser 0,l W, mais elle ne doit pas être inférieure à 1,6 mm.

2 Pour les entailles droites, le rayon à fond d’entaille conseillé est de 0,lO mm max., l’angle des lames des couteaux doit être

de 90’ max. et l’extension des criques de fatigue sur chacune des surfaces de l’éprouvette doit avoir au moins la plus grande

des deux valeurs suivantes 0,025W ou 1,3 mm.

3 Pour les entailles a chevrons, le rayon a fond d’entaille conseille est de 0,25 mm max., l’angle des lames

...

ISO
NORME
INTERNATIONALE 12737
Première édition
1996-I l-l 5
Matériaux métalliques - Détermination
du facteur d’intensité de contrainte critique
Me tallic ma terials - Determination of plane-strain fracture toughness
Numéro de référence
ISO 12737:1996(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 12737:1996(F)
Page
Sommaire
................................................................
1 Domaine d’application

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

3 Définitions ..................................................................................

.................................................
4 Symboles et leurs significations

5 Principe .......................................................................................

6 Appareillage ................................................................................

......... 5
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
.........................................................................
8 Mode opératoire
............................................................. 8
9 Mode opératoire d’essai
.......................................... 8
10 Calcul et interprétation des résultats

II Rapport d’essai ...........................................................................

Annexes
Préfissuration par fatigue d’éprouvettes pour la détermination

..........................................................................................

de 4,

Éprouvette de flexion .................................................................

................................................................. 13
Éprouvette compacte
....................................................................... 15
Dispositifs d’essai

Bibliographie ...............................................................................

- .
0 60 1996

Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publi-

cation ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun pro-

cédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord

écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 l CH-1 211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
---------------------- Page: 2 ----------------------
@ ISO ISO 12737:1996(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’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 gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
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.
La Norme internationale ISO 12737 a été élaborée par le comité technique
ISOnC 164, Essais mécaniques des métaux, sous-comité SC 4, Essais de
ténacité.
Les annexes A à C font rtie intégrante de la présente Norme inter-
nationale. Les annexes D et E sont données uniquement à titre d’ infor-
mation.
. . .
Ill
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE @ ISO ISO 12737:1996(F)
Matériaux métalliques - Détermination du facteur
d’intensité de contrainte critique
1 Domaine d’application

La présente Norme internationale prescrit une méthode pour la détermination du facteur d’intensité de contrainte

critique des matériaux homogènes métalliques sur une éprouvette entaillée et préfissurée par fatigue, soumise à

une force faiblement croissante.
2 Références normatives

Les normes suivantes contiennent des dispositions qui, par suite de la référence qui en est faite, constituent des

dispositions valables pour la présente Norme internationale. Au moment de la publication, les éditions indiquées

étaient en vigueur. Toute norme est sujette a révision et les parties prenantes des accords fondés sur la présente

Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d’appliquer les éditions les plus récentes des normes

indiquées ci-après. Les membres de la CEI et de I’ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur

à un moment donné.
Vérification des machines pour essais statiques uniaxiaux - Partie 1:
ISO 7500-I : 1986, Matériaux métalliques -
Machines d’essai de traction.
Vérification des extensomètres utilisés lors d’essais uniaxiaux.
ISO 9513: 1989, Matériaux métalliques -
3 Définitions

Pour les besoins de la présente Norme internationale, les définitions suivantes s’appliquent.

3.1 facteur d’intensité de contrainte, Kl: Grandeur du champ de contrainte élastique à l’extrémité de la fissure

soumise à un chargement en mode d’ouverture (mode I), dont la valeur dépend de la force appliquée, des

dimensions et de la forme de l’éprouvette, ainsi que de la longueur de la fissure, et a les dimensions d’une force

multipliée par une longueur à la puissance moins trois demis.
3.2 facteur d’intensité de contrainte critique, Klc:
Mesure, par le mode opératoire de la présente méthode, de

la résistance à la propagation d’une fissure d’un matériau lorsqu’il y a un état plan de déformation à proximité du

front de celle-ci et que la déformation plastique est limitée.

NOTE - C’est la valeur critique de K, pour laquelle se produit une propagation significative de la fissure sous l’effet d’une

forte contrainte croissante en régime plastique.
---------------------- Page: 5 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)

3.3 orientation du plan de la fissure: Méthode permettant de lier le plan et la direction de propagation de la

fissure aux caractéristiques d’anisotropie du matériau.

NOTE - Le code utilisé comporte un trait d’union. La ou les lettres qui précèdent ce trait d’union représentent la direction

perpendiculaire au plan de la fissure, celle ou celles qui le suivent représentent la direction prévue de la propagation de la

fissure (voir figure 1). En ce qui concerne les métaux corroyés, la lettre X indique toujours la direction principale d’écoulement

des grains, Z indique la direction de la force appliquée, et Y indique la direction perpendiculaire au plan X-Z. Lorsque

l’orientation de l’éprouvette ne coïncide pas avec les directions caractéristiques du produit, on utilise deux lettres pour indiquer

la normale au plan de la fissure et/ou à la direction prévue de sa propagation [voir figure 1 b)]. En l’absence de fibrage (cas

d’une pièce moulée), les axes de référence peuvent être arbitraires mais doivent être clairement identifiés.

3.4 variation de l’ouverture de l’entaille, V: Variation mesurée sur ou a proximité des lèvres de l’entaille.

4 Symboles et leurs significations

Pour les besoins de la présente Norme internationale, les symboles suivants s’appliquent (voir également figures 1,

2 et 4).
Signification
Symbole Unité
a Longueur de la fissure
mm Épaisseur de l’éprouvette
E MPa Module d’Young
F kN Charge appliquée
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
Mpa.m 1/2 *)
Facteur d’intensité de contrainte maximal au cours du stade final de la
fissuration par fatigue
MPa-m 1/2 Valeur provisoire de Klc
MPa*m 1/2 Facteur d’intensité de contrainte en mode d’ouverture (mode 1)
MPa*m 112 Valeur critique de Kl (facteur d’intensité de contrainte critique)
R Rapport de la charge maximale à la charge minimale appliquées en
fissuration par fatigue pendant un cycle de contrainte
MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 %
RP0.2
S mm Portée entre les points d’application de la charge
V mm Variation de l’ouverture de l’entaille

W mm Largeur de l’éprouvette de flexion ou largeur utile de l’éprouvette compacte

MPa-m 112 Différence entre les valeurs maximale et minimale de Kl pendant un cycle de

fatigue
*) 0,031 6 MPa.ml/* = 1 N.mm-+* = 0,031 6 MN-m-312
5 Principe

L’essai porte sur la détermination de la valeur critique du facteur d’intensité de contrainte (Klc) de matériaux

métalliques par augmentation de la charge sur des éprouvettes préfissurées en fatigue. Les détails concernant les

éprouvettes et le mode opératoire sont donnés dans les annexes B et C. La courbe charge/déplacement des bords

de l’entaille est enregistrée automatiquement sur un graphique ou convertie sous forme numérique et mise en

mémoire dans un ordinateur pour traitement ultérieur. La charge correspondant à un accroissement apparent de

2 % de la dimension de la fissure est déterminée par un écart spécifié par rapport a la portion linéaire de la courbe

enregistrée. Lorsque certaines exigences de validité ont été établies, la valeur de Kl, peut être calculée à partir de

cette charge.
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 12737:1996(F)
Fibraae
mage
a) Identlflcation classique b) Identification particulike
zx ?Q
4 I
X Z
d) Fibrage axial, travail radial
CI Flbrage radial, travail axial
Figure 1 - Identification du plan de la fissure

La valeur de K,, détermine la résistance à la fissure d’un matériau présentant une fissure aiguë de fatigue sous une

forte contrainte de traction, de manière que

a) l’état de la contrainte à proximité du front de fissure soit proche d’une déformation plane; et que

b) la zone plastique de l’extrémité de la fissure soit petite par rapport à la dimension de la fissure, à l’épaisseur de

l’éprouvette et au ligament situé à l’avant de la fissure.

La valeur de K,, représente la valeur inférieure limite de la ténacité de rupture correspondant aux conditions de la

température et de l’environnement de l’essai.

Des charges cycliques peuvent provoquer une propagation des fissures pour des valeurs de KI inférieures à IC,,.

L’extension de la longueur de la fissure soumise à une charge cyclique ou statique peut être influencée par la

température et l’environnement de l’essai. En conséquence, avant d’appliquer KI, pour la conception d’éléments, il

faut savoir si les conditions d’utilisation réelles sont différentes de celles des essais en laboratoire.

---------------------- Page: 7 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)

On ne peut pas, lors des essais de détermination du facteur d’intensité critique, être assuré à l’avance qu’une

mesure valable de K,, sera toujours obtenue.
6 Appareillage
6.1 Machine d’essai et mesure de la charge

La machine d’essai doit être étalonnée conformément à I’ISO 7500-I et doit être au moins de la classe 1. Elle doit

pouvoir donner un enregistrement graphique de la charge appliquée à l’éprouvette ou être raccordée à un système

informatique d’acquisition de données permettant d’enregistrer les charges et les déplacements pour une analyse

ultérieure. La combinaison d’un capteur de charge et d’un enregistreur doit permettre de déterminer la charge F0

(définie dans l’article 10) à partir de l’enregistrement de l’essai avec une précision de + 1 %.

6.2 Machine de fissuration par fatigue

La machine de fissuration par fatigue et le dispositif indicateur de charge doivent, si possible, être étalonnés

conformément à I’ISO 7500-I et doivent être au moins de la classe 2. Si la machine de fissuration ne peut pas être

étalonnée en statique, la charge appliquée doit être connue avec une précision de + 25 %. Un alignement soigneux

de l’éprouvette et du montage est nécessaire pour promouvoir des fissures de fatigue droites. Le montage doit

être tel que la contrainte soit uniforme dans toute l’épaisseur de l’éprouvette et symétrique par rapport au plan de

l’entaille.
6.3 Capteur de déplacement

Le capteur de déplacement doit indiquer le déplacement relatif (V) de deux points disposés avec précision de part

et d’autre de l’entaille. Sa conception, ainsi que celle des lames, doit permettre une libre rotation des points de

contact entre le capteur et les lames.

Le capteur de déplacement doit être étalonné conformément à I’ISO 9513, pertinente à cette technique, et doit

être au moins de la classe 1; néanmoins, cet étalonnage doit être renouvelé au moins une fois par semaine

pendant la période d’utilisation du capteur. Des étalonnages plus fréquents peuvent être requis en fonction de la

fréquence d’utilisation du capteur et des accords contractuels.

La vérification du capteur doit être exécutée à la température de l’essai avec une précision absolue de k 5 OC.

L’étalonnage du capteur doit correspondre à la même mesure de l’appareil d’étalonnage avec une précision absolue

de k 0,003 mm jusqu’à 0,3 mm de déplacement et une précision relative de + 1 % pour les déplacements plus

grands.

La détermination d’une valeur absolue du déplacement n’est pas nécessaire étant donné qu’on ne mesure que

des variations relatives de déplacement. Deux conceptions de capteurs ayant fait leur preuve sont décrites dans

les références bibliographiques [l] et [2] (voir annexe E) et des capteurs similaires sont disponibles dans le

commerce.
6.4 Dispositifs d’essai

L’essai de flexion doit être effectué à l’aide d’un dispositif conçu pour minimiser les forces de frottement en

permettant aux rouleaux supports de tourner et de se déplacer légèrement transversalement lorsque l’éprouvette

est chargée, ce qui assure le maintien d’un contact par roulement. Un appareillage adapté à l’essai en flexion est

représenté a la figure D.l .

Un dispositif de chargement à étriers adapté aux éprouvettes compactes est représenté à la figure D.2.

---------------------- Page: 8 ----------------------
@ ISO ISO 12737:1996(F)
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
7.1 Dimensions de l’éprouvette

Pour que le résultat du facteur d’intensité de contrainte critique soit considéré valable, l’épaisseur (B) de

l’éprouvette, la longueur,de la fissure (a) et celle du ligament (W-a) doivent être supérieures à 2,5(K,,/Rr,0 #, où

R,, 2 est la contrainte limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % correspondant aux conditions de la température et

de ‘l’environnement de l’essai. Le respect de ces exigences ne peut pas être garanti à l’avance. Aussi est-il

conseillé, pour le premier essai d’une série, de sélectionner une éprouvette de dimensions supérieures. Si la forme

du matériau disponible est telle qu’il n’est pas possible d’obtenir une éprouvette dont l’épaisseur, la longueur de la

une mesure valable de KI, selon cette méthode est
fissure et celle du ligament soient supérieures à 2,5(K,,/R,0 2)2,
impossible.
7.2 Proportions recommandées pour les éprouvettes
7.2.1 Éprouvettes recommandées

Les éprouvettes recommandées sont représentées aux figures B.l et C.I. La largeur (W) est le double de

l’épaisseur nominale (B). La longueur (a) de la fissure (entaille + fissure de fatigue) est comprise entre 0,45 et 0,55

fois la largeur.
7.2.2 Autres proportions

Dans certains cas, il peut être nécessaire ou souhaitable d’utiliser des éprouvettes présentant un rapport W/B

différent de 2. D’autres proportions sont donc admises (voir l’annexe appropriée B ou C). Toutefois, le rapport

longueur de fissure/largeur des éprouvettes (a/W) doit être identique à celui des éprouvettes recommandées.

7.2.3 Autres configurations des éprouvettes (uniquement à titre d’information)

Après accord préalable, il est possible, pour les mesures de Kl,, d’utiliser des éprouvettes de configurations

différentes et d’appliquer les méthodes d’analyse associées. Toutefois, ces méthodes, y compris les normes

appliquées pour mesurer K,, ainsi que les valeurs critiques de J et./ou du CTOD (crack tip opening displacement),

doivent avoir été approuvées en tant que normes nationales par un comité membre de I’ISO.

7.2.4 Entaille pour l’amorçage de la fissure de fatigue

Deux configurations d’entaille pour l’amorçage des fissures de fatigue sont représentées aux figures 2 a) et 2 b). II

est conseillé, pour une entaille droite terminée par un V, de sélectionner un rayon à fond d’entaille égal ou inférieur

a 0,lO mm alors que, pour une entaille a chevrons, ce même rayon peut être égal ou inférieur a 0,25 mm. La

méthode de réalisation de l’entaille est laissée au choix de l’utilisateur. L’entaille et la fissure de fatigue doivent se

trouver a l’intérieur de l’enveloppe représentée à la figure 2 c) (voir annexe A).

Deux types de lames de couteau pour la fixation du capteur de déplacement sont représentés à la figure 3.

---------------------- Page: 9 ----------------------
@ ISO
ISO 12737:1996(F)
Largeur de l'en taille
Largeur de l’entaille
+ 0,005 w
r(voir note 1)
rIvoir note 1)
0,005 w
LFissure par fatigue
IFissure par fatigue
(voir note 2)
(voir note 2)
cl Enveloppe
b) Entatlle 3 chevrons
a) Entalllc droltc
NOTES
La largeur de l’entaille ne doit

1 L’entaille d’amorçage de fissure doit être perpendiculaire aux surfaces de l’éprouvette à + 2’.

pas dépasser 0,l W, mais elle ne doit pas être inférieure à 1,6 mm.

2 Pour les entailles droites, le rayon à fond d’entaille conseillé est de 0,lO mm max., l’angle des lames des couteaux doit être

de 90’ max. et l’extension des criques de fatigue sur chacune des surfaces de l’éprouvette doit avoir au moins la plus grande

des deux valeurs suivantes 0,025W ou 1,3 mm.

3 Pour les entailles a chevrons, le rayon a fond d’entaille conseille est de 0,25 mm max., l’angle des lames

...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.