ISO 12737:1996
(Main)Metallic materials — Determination of plane-strain fracture toughness
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
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Relations
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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)
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IS0 12737:1996(E)
Page
Contents
1
1 Scope .
1
.................................................................
2 Normative references
1
..................................................................................
3 Definitions
2
..........................................................
4 Symbols and designations
2
5 Principle .
4
...................................................................................
6 Apparatus
.................... 5
7 Test specimen size, configuration and preparation
7
...................................................................................
8 Procedure
8
...........................................................................
9 Test procedure
..................................... 8
10 Calculation and interpretation of results
8
..................................................................................
11 Test report
Annexes
......... 10
Fatigue precracking of K,, fracture toughness specimens
11
...................................................................
Bend test specimen
13
.....................................................................
Compact specimen
15
Test fixtures .
17
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
ii
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@ 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.
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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.
1
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@ 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
B
E MPa Young’s modulus
F kN Applied force
Particular value of F (see figure 4)
kN
Fcr
kN Particular value of F (see figure 4)
F5
Mpa.m I/*‘)
Maximum stress intensity factor during the final stage of fatigue cracking
Kf
MPa.m 112 Provisional value of K,,
KQ
Opening mode stress intensity factor (mode I)
MPa.m 112
Kl
MPa.m 112 Critical value of K, (plane-strain fracture toughness)
4,
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
*4
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.
2
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ISO 12737:1996(E)
Grain flow
flow
CX
a) Basic identification
b) Non-basic identlflcation
xz
iv
Y
X
X
Z Y
Z-Y Z
6
9
Y
J z-x
‘0
z Y
x Y
k
k
X-Y
X
Z
x-z
fl
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.
3
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@ 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.
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@ 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 *)
I
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)
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ISO 12737:1996(F)
Page
Sommaire
1
................................................................
1 Domaine d’application
1
2 Références normatives .
1
3 Définitions .
2
.................................................
4 Symboles et leurs significations
2
5 Principe .
4
6 Appareillage .
......... 5
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
7
.........................................................................
8 Mode opératoire
............................................................. 8
9 Mode opératoire d’essai
.......................................... 8
10 Calcul et interprétation des résultats
8
II Rapport d’essai .
Annexes
Préfissuration par fatigue d’éprouvettes pour la détermination
10
..........................................................................................
de 4,
11
Éprouvette de flexion .
................................................................. 13
Éprouvette compacte
....................................................................... 15
Dispositifs d’essai
17
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
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@ 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-
Pa
nationale. Les annexes D et E sont données uniquement à titre d’ infor-
mation.
. . .
Ill
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Page blanche
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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.
1
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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
mm
a Longueur de la fissure
mm Épaisseur de l’éprouvette
B
E MPa Module d’Young
F kN Charge appliquée
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
Fa
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
FS
Mpa.m 1/2 *)
Facteur d’intensité de contrainte maximal au cours du stade final de la
Kf
fissuration par fatigue
MPa-m 1/2 Valeur provisoire de Klc
KQ
MPa*m 1/2 Facteur d’intensité de contrainte en mode d’ouverture (mode 1)
4
MPa*m 112 Valeur critique de Kl (facteur d’intensité de contrainte critique)
4c
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
4
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.
2
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ISO 12737:1996(F)
Z
Fibraae
mage
-x
a) Identlflcation classique b) Identification particulike
zx ?Q
X
Z
4 I
Y
Y
CT
k
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.
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@ 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 ----------------------
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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,
I
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.
5
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@ ISO
ISO 12737:1996(F)
Largeur de l'en taille
Largeur de l’entaille
+ 0,005 w
r(voir note 1)
rIvoir note 1)
l
0,005 w
Jr
i
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)
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ISO 12737:1996(F)
Page
Sommaire
1
................................................................
1 Domaine d’application
1
2 Références normatives .
1
3 Définitions .
2
.................................................
4 Symboles et leurs significations
2
5 Principe .
4
6 Appareillage .
......... 5
7 Dimensions, configuration et préparation de l’éprouvette
7
.........................................................................
8 Mode opératoire
............................................................. 8
9 Mode opératoire d’essai
.......................................... 8
10 Calcul et interprétation des résultats
8
II Rapport d’essai .
Annexes
Préfissuration par fatigue d’éprouvettes pour la détermination
10
..........................................................................................
de 4,
11
Éprouvette de flexion .
................................................................. 13
Éprouvette compacte
....................................................................... 15
Dispositifs d’essai
17
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
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@ 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-
Pa
nationale. Les annexes D et E sont données uniquement à titre d’ infor-
mation.
. . .
Ill
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Page blanche
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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.
1
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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
mm
a Longueur de la fissure
mm Épaisseur de l’éprouvette
B
E MPa Module d’Young
F kN Charge appliquée
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
Fa
kN Valeur particulière de F (voir figure 4)
FS
Mpa.m 1/2 *)
Facteur d’intensité de contrainte maximal au cours du stade final de la
Kf
fissuration par fatigue
MPa-m 1/2 Valeur provisoire de Klc
KQ
MPa*m 1/2 Facteur d’intensité de contrainte en mode d’ouverture (mode 1)
4
MPa*m 112 Valeur critique de Kl (facteur d’intensité de contrainte critique)
4c
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
4
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.
2
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ISO 12737:1996(F)
Z
Fibraae
mage
-x
a) Identlflcation classique b) Identification particulike
zx ?Q
X
Z
4 I
Y
Y
CT
k
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.
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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.
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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,
I
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.
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ISO 12737:1996(F)
Largeur de l'en taille
Largeur de l’entaille
+ 0,005 w
r(voir note 1)
rIvoir note 1)
l
0,005 w
Jr
i
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
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