ISO 12106:2017

Metallic materials - Fatigue testing - Axial-strain-controlled method

ISO 12106:2017 specifies a method of testing uniaxially deformed specimens under strain control at constant amplitude, uniform temperature and fixed strain ratios including at Re = −1 for the determination of fatigue properties. It can also be used as a guide for testing under other R-ratios, as well as elevated temperatures where creep deformation effects may be active.

Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par déformation axiale contrôlée

Le présent document spécifie une méthode d'essai des éprouvettes déformées de manière uniaxiale sous contrôle de déformation à amplitude constante, température uniforme et rapport de déformation fixe, notamment à Re = −1, pour la détermination des propriétés de fatigue. Il peut également être utilisé comme guide pour les essais réalisés sous d'autres rapports R, ainsi qu'à des températures élevées où la déformation par fluage peut avoir des conséquences.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 22-Mar-2017
• ICS: 77.040.10 - Mechanical testing of metals
• Technical Committee: ISO/TC 164/SC 4 - Fatigue, fracture and toughness testing
• Drafting Committee: ISO/TC 164/SC 4 - Fatigue, fracture and toughness testing
• Current Stage: 9092 - International Standard to be revised
• Start Date: 29-Sep-2023
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Revises: ISO 12106:2003 - Metallic materials - Fatigue testing - Axial-strain-controlled method
• Effective Date: 03-Aug-2013

Overview

ISO 12106:2017 - Metallic materials - Fatigue testing - Axial‑strain‑controlled method defines a standardized procedure for uniaxial, strain‑controlled fatigue testing of metallic specimens. The standard covers constant‑amplitude, fixed strain‑ratio tests (including R = −1) performed at uniform temperature and provides guidance for elevated‑temperature creep‑fatigue testing. ISO 12106:2017 is aimed at producing reproducible low‑cycle fatigue data, cyclic stress‑strain responses and strain‑life relationships for engineering materials.

Key topics and technical requirements

ISO 12106:2017 addresses the complete test chain from apparatus to reporting. Major technical topics include:

• Test conditions: strain‑controlled, constant amplitude cycles, fixed R‑ratios (explicitly including R = −1), uniform temperature; guidance for other R‑ratios and high‑temperature creep effects.
• Apparatus and instrumentation: requirements for test machines, force transducers, grips, alignment checks and extensometers/strain measurement systems.
• Specimen definitions: geometry options (e.g., round bars and flat sheet products), preparation, surface condition, dimensional control and handling.
• Test procedure: laboratory environment, machine control, mounting, cycle shape and strain rate/frequency, start and end criteria, data recording (stress‑strain hysteresis loops) and failure criteria.
• High‑temperature creep‑fatigue: methodology for testing where creep and cyclic deformation interact.
• Data analysis and reporting: expression of results, strain‑life and stress‑strain relationships, test report content (purpose, material, specimen, methods, conditions, and presentation of results).
• Quality & verification: calibration and alignment references, measurement uncertainty and recommended verification practices.

Applications and who uses it

ISO 12106:2017 is used by:

• Materials testing laboratories and metallurgical R&D teams to generate low‑cycle fatigue (LCF) data and cyclic stress‑strain curves.
• Design and qualification engineers in aerospace, automotive, nuclear, medical device and heavy‑engineering sectors where components undergo cyclic plastic strains.
• Quality assurance and standards compliance teams seeking reproducible, comparable fatigue data for material selection, life prediction and finite element validation. Practical outcomes include strain‑life curves for design, inputs for fatigue life models, and validated creep‑fatigue data for high‑temperature components.

Related standards

Key normative references cited in ISO 12106:2017:

• ISO 7500‑1 (calibration/verification of force systems)
• ISO 9513 (extensometer calibration)
• ISO 23788 (fatigue machine alignment)

Using ISO 12106:2017 ensures consistent axial strain‑controlled fatigue testing, reliable low‑cycle fatigue properties and clear reporting for engineering decision‑making.

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 12106
Second edition
2017-03
Metallic materials — Fatigue testing —
Axial-strain-controlled method
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par
déformation axiale contrôlée
Reference number
©
ISO 2017
© ISO 2017, Published in Switzerland
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or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
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Fax [phone]
[e-mail]
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ii © ISO 2017 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 3
4.1 Specimens . 3
4.2 Fatigue testing . 3
4.2.1 Symbols . 3
4.2.2 Subscripts . 5
4.3 Expression of results . 5
5 Apparatus . 5
5.1 Test machine . 5
5.1.1 General. 5
5.1.2 Force transducer . 6
5.1.3 Gripping of specimen . 6
5.1.4 Alignment check . 6
5.2 Strain measurement . 7
5.3 Heating device and temperature measurement . 8
5.4 Instrumentation for test monitoring . 8
5.4.1 Recording systems . . 8
5.4.2 Cycle counter . 9
5.5 Checking and verification . 9
6 Specimens . 9
6.1 Geometry . 9
6.1.1 Round bars . 9
6.1.2 Flat sheet products .10
6.2 Preparation of specimens .14
6.2.1 General.14
6.2.2 Machining procedure .14
6.2.3 Sampling and marking .15
6.2.4 Surface condition of specimen .15
6.2.5 Dimensional check .16
6.2.6 Storage and handling .16
7 Procedure.16
7.1 Laboratory environment .16
7.2 Test machine control .16
7.3 Mounting of the specimen .17
7.4 Cycle shape — Strain rate or frequency of cycling .17
7.5 Start of test .18
7.5.1 Preliminary measurements .18
7.5.2 Test commencement .19
7.6 Number of specimens .19
7.7 Data recording .19
7.7.1 Stress-strain hysteresis loops .19
7.7.2 Data acquisition .19
7.8 End of test .20
7.9 Failure criteria .20
8 High-temperature strain-controlled creep-fatigue testing .22
9 Expression of results .23
9.1 Basic data (recorded data (see 7.7)) .23
9.2 Analysis of low-cycle fatigue results at R = −1 .23
e
9.2.1 Distinction between different types of strain values .23
9.2.2 Determination of fatigue life (see 7.9) .24
9.2.3 Stress-strain and strain-fatigue life relationships .24
9.3 Analysis of creep-fatigue results .25
10 Test report .25
10.1 General .25
10.2 Purpose of the test .26
10.3 Material .26
10.4 Specimen .26
10.5 Test methods .26
10.6 Test conditions .27
10.7 Presentation of results .27
10.7.1 Presentation of single test results .27
10.7.2 Presentation of results of test series .28
10.8 Values to be stored in a low-cycle fatigue database .29
Annex A (informative) Measurement uncertainty .31
Annex B (informative) Examples of graphical presentation of results .33
Bibliography .37
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals,
Subcommittee SC 5, Fatigue testing.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 12106:2003), which has been technically
revised.
Introduction
Materials and their microstructure may change when subjected to cyclic deformations and their
mechanical properties can be significantly altered when compared with that resultant from monotonic
deformations, for example, uniaxial stress-strain response. The design of mechanical components
subjected to fatigue loadings and cyclic deformations requires, in a number of industrial sectors
(i.e. nuclear, aerospace, ground vehicles, medical devices, etc.), knowledge of the cyclic behaviour of
the materials under reversed strain control conditions, referred to as low-cycle fatigue, when cyclic
plasticity is present.
In order to ensure reliability and consistency of results from different laboratories, it is necessary to
collect all data using test methodologies that comply with a number of key points.
This document concerns both the generation of such strain-controlled fatigue data at room or elevated
temperatures at fixed R-ratios (strain) and the presentation of results for fatigue properties, strain-life
behaviour and cyclic stress-strain responses of metallic materials determined at an R -ratio = −1. Since
e
there is a close relationship with strain-controlled, high-temperature testing, there is also a section
devoted to creep-fatigue testing methodology.
This document does not address safety or health concerns, should such issues exist, that may be
associated with its use or application. The user of this document has the sole responsibility to establish
any appropriate safety and health concerns, as well as to determine the applicability of any national or
local regulatory limitations regarding the use of this document.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 12106:2017(E)
Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-
controlled method
1 Scope
This document specifies a method of testing uniaxially deformed specimens under strain control
at constant amplitude, uniform temperature and fixed strain ratios including at R = −1 for the
e
determination of fatigue properties. It can also be used as a guide for testing under other R-ratios, as
well as elevated temperatures where creep deformation effects may be active.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 7500-1, Metallic materials — Calibration and verification of static uniaxial testing machines — Part 1:
Tension/compression testing machines — Calibration and verification of the force-measuring system
ISO 9513, Metallic materials — Calibration of extensometer systems used in uniaxial testing
ISO 23788, Metallic materials — Verification of the alignment of fatigue testing machines
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
3.1
engineering stress
instantaneous force divided by the initial cross-sectional area of the gauge length
SF= / A
O
3.2
true stress
instantaneous force divided by the instantaneous cross-sectional area of the gauge length
σ =FA/
Note 1 to entry: At strains to approximately 10 %, the true stress is approximated by the engineering stress,
F/A . It is also important to note that at strains to approximately 10 %, it is the engineering strain that is actually
o
measured by the extensometer and it is the controlled parameter in a test.
3.3
initial length
gauge length
L
o
initial length between extensometer measurement points at test temperature
3.4
parallel length
L
p
length between transition radii of the test specimen
3.5
strain
engineering strain
LL−
DL
io
e ==
L L
o o
true total strain
L
i
dL
ε =
∫
L
L
o
where
L is the instantaneous length of the gauge section;
i
L is the initial or gauge length.
o
Note 1 to entry: At true strain values to approximately 10 %, ε is approximated by the engineering strain e = ΔL/L.
It is also important to note that at strains to approximately 10%, it is the engineering strain that is the quantity
measured by the extensometer and the controlled parameter in a strain-controlled fatigue test.
3.6
cycle
smallest segment of the strain-time function that is repeated periodically
3.7
maximum
greatest algebraic value of a variable within one cycle
3.8
minimum
least algebraic value of a variable within one cycle
3.9
mean
one-half of the algebraic sum of the maximum and minimum values of a variable
3.10
range
algebraic difference between the maximum and minimum values of a variable
3.11
amplitude
half the range of a variable
3.12
fatigue life
N
f
number of cycles that have to be applied to achieve a failure
Note 1 to entry: Failure criteria are defined, for example, in 7.8. The failure criterion used shall be reported with
the results and be consistent through a series of fatigue tests.
2 © ISO 2017 – All rights reserved

3.13
hysteresis loop
closed curve of the stress-strain response during one complete cycle
Note 1 to entry: It is quite common that the beginning few hysteresis loops in a test sequence may not be
completely “closed” due to cyclic softening, cyclic hardening, cyclic stress relaxation, stress “shakedown”, or
ratchetting.
4 Symbols
For the purposes of this document, the symbols defined in 4.1 to 4.3 apply.
4.1 Specimens
See Table 1.
Table 1 — Symbols and designations concerning specimens
Specimen Symbol Designation Unit
L Initial or gauge length mm
o
L Instantaneous gauge length mm
i
A Initial area of gauge section mm
o
A Instantaneous area of gauge section with mm
AL = A L
o o
A Minimum area at failure mm
f
Transition radius (from parallel length
r mm
into the grip end of the test specimen)
L Overall length of specimen mm
z
Cylindrical
d Diameter of cylindrical gauge section mm
D Diameter of grip end of specimen mm
Flat-sheet
t Thickness mm
W Width of grip end mm
w Width of gauge section mm
4.2 Fatigue testing
4.2.1 Symbols
Table 2 — Symbols and designations for variables and properties
Symbol Definition Units
E Modulus of Elasticity Gigapascals (GPa)
mean value of the slope of the
initial linear portion of a stress-
strain curve
E unloading modulus following a Gigapascals (GPa)
T
maximum stress (see Figure 1),
E unloading modulus following a min- Gigapascals (GPa)
C
imum stress (see Figure 1)
N number of cycles to failure
f
Table 2 (continued)
Symbol Definition Units
t time to failure; t = T·N in which T is Seconds (s)
f f f
the period of the signal (duration of
the wavelength)
σ true stress Megapascals (MPa)
S engineering stress Megapascals (MPa)
e engineering strain
strain rate Seconds to the power of minus one
de
−1
 (s )
e =
dt
where t = time
ε true strain
Δ range of a variable
R mean surface roughness Micrometres (µm)
z
R strain ratio
e
= (e /e )
min max
Figure 1 — Stress-strain hysteresis loop at R = −1
e
NOTE For the purpose of defining plastic strain from a stabilized stress-strain hysteresis loop, it is that non-
recoverable strain at the mean stress established by (S + S )/2 for the steady-state stress response in a
max min
controlled strain test. Frequently, it is the width of the hysteresis loop at zero stress crossing but it may not be in
some metals.
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4.2.2 Subscripts
Table 3 — Subscripts and meaning
Subscript Meaning
t total
p plastic
e elastic
a amplitude
m mean
min minimum
max maximum
4.3 Expression of results
See Table 4.
Table 4 — Symbols and designations concerning the expression of fatigue properties for
R = −1 tests
e
Symbol Designation Unit
a
σ Cyclic yield strength MPa
y′
n Monotonic strain hardening exponent —
n′ Cyclic strain hardening exponent —
K Monotonic strength coefficient MPa
K′ Cyclic strength coefficient MPa
σ Fatigue strength coefficient MPa
f′
b Fatigue strength exponent —
ε Fatigue ductility coefficient —
f′
c Fatigue ductility exponent —
a
0,2 % offset is typically used.
5 Apparatus
5.1 Test machine
5.1.1 General
The tests shall be conducted on a uniaxial tension-compression machine designed for smooth start-
up with no backlash when passing through zero stress. The machine shall be capable of controlling
strain and measuring force when applying the recommended waveform. It should be axially stiff and
well aligned. The complete machine-loading system, including force transducer and grips, should have
sufficient lateral stiffness to avoid specimen buckling at the extremes of compressive stress.
NOTE See ISO 23788:2012, Annex C for a methodology for determination of lateral stiffness of a test machine.
5.1.2 Force transducer
The force transducer shall be designed for tensile-compressive fatigue tests and should have high
axial and lateral stiffness. Its capacity shall be suitable for the forces applied during the test. The force
transducer shall conform to ISO 7500-1:2015, Class 1.
The indicated force as recorded at the output from a computer in an automated system or from the
final output recording device in any non-automated system shall be within the specified permissible
variation from the actual force. The force transducer capacity shall be sufficient to cover the range of
dynamic forces measured during a test. The force measuring system shall comply with ISO 7500-1:2015,
Class 1.
The force transducer shall be temperature-compensated with temperature coefficient of zero and span
shall be no greater than 0,002 % of full scale per degree Celsius. Further, temperature gradients in the
force transducer should be avoided.
During high-temperature or cryogenic testing, suitable shielding/compensation may be provided for
the cell so it is maintained within its compensation range.
5.1.3 Gripping of specimen
The gripping device shall transmit the cyclic forces to the specimen without backlash along it is
longitudinal axis. The overall load-string length should be minimized to avoid any tendency of the
specimen to buckle. The geometric qualities of the device shall ensure correct alignment in order to
meet the requirements specified in 5.1.4; it is therefore necessary to limit the number of components
of which these gripping devices are composed and reduce the number of mechanical interfaces to a
minimum.
The gripping device shall ensure the manner in which the specimen is mounted is reproducible. It shall
have geometric features assuring the proper alignment of the specimen and preloaded surfaces allowing
transmission of tensile and compressive forces without backlash throughout the duration of the test.
Materials shall be selected so as to ensure correct functioning across the test temperature range.
5.1.4 Alignment check
Bending in a test machine due to misalignment in rigid-grip systems is generally caused by angular or
lateral offsets of the grips or a combination of both (see Figure 2).
The test machine alignment shall be checked before each series of tests and any time a change is made
to the load train in accordance with ISO 23788. The machine alignment shall be maximum of Class 5
according to ISO 23788.
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θ/2
θ/2
a)  Angular offset b)  Lateral offset
c)  Load-train offset in a non-rigid system
Figure 2 — Bending mechanisms due to misalignment in fatigue test systems
In a proper test machine/gripping procedure alignment procedure, it is the principles that are important
since they shall:
— Ensure axial alignment of specimen and push/pull rods.
— Ensure mating faces of specimen and push/pull rods are parallel and square to the axis of
symmetry.
— Ensure that the lateral stiffness of the load string and frame is sufficiently great enough to
maintain axially when the specimen gauge length has become plastic (tangent modulus tending to zero).
5.2 Strain measurement
The strain shall be measured from the specimen using an axial extensometer.
The extensometer used shall be suitable for measuring dynamic strain over long periods during which
there shall be minimal drift, slippage and instrument hysteresis. It shall measure directly the axial
strain on the gauge section of the specimen.
The strain-measuring system, including the extensometer and its associated electronics, shall conform
to ISO 9513:2012, Class 1.
The geometry of the contact zones and the pressure exerted by the extensometer on the specimen shall
be such that they prevent slippage of the extensometer but do not damage the specimen.
The transducer section of the extensometer shall be protected from thermal fluctuations that give rise
to potential drift, particularly at elevated temperatures.
5.3 Heating device and temperature measurement
NOTE See References [16], [20], [21] and [22].
A uniform rise in temperature shall be ensured without the test temperature being exceeded.
If a direct induction heating system is used, it is advisable to select a generator with a frequency
sufficiently low to prevent “skin effects” on heating.
The heating device shall produce a temperature gradient not exceeding 3 °C over the gauge length of
the specimen and shall ensure, throughout the test, and with due consideration to all combined sources
of error, that deviations between the test temperature and that of the specimen are within ±2,5°C.
These deviations shall be checked using three thermocouples or other appropriate devices, one at each
end and one in the middle of the gauge length of the specimen.
In a test, the specimen temperature may be measured using thermocouples in contact with the specimen
surface. Direct contact between the thermocouple and the specimen is necessary and shall be achieved
without affecting the test results (e.g. crack initiation at the point of contact of the thermocouple shall be
avoided). Commonly used methods of attaching the thermocouples are by binding in place, by pressure
or by resistance spot welding.
The temperature shall be measured by at least one sensor independently of the one used for control
purposes.
5.4 Instrumentation for test monitoring
5.4.1 Recording systems
It is common for low-cycle fatigue test equipment nowadays to be computer controlled and equipped
with digital data acquisition systems. Basic software platforms provided in modern digital systems
provide accurate test control, as well as report generation. They are typically equipped to provide real-
time numerical displays in either the digital or analog domain of test data, as well as generation and
storage of graphical and tabular test results.
In such a typical digital system, the sampling frequency of stress-strain data points shall be sufficient to
ensure correct definition of the hysteresis loop, especially in the regions of strain reversal at hysteresis
loop tips. However, different data collection strategies will affect the number of data points per loop
needed. Typically, at least 50 points per loop are sufficient but 200 or more points per loop are highly
recommended.
Since there are a number of analog systems still in use, the following shall be considered a minimum
requirement for the analog recording of data:
— an X-Y recorder used to record stress-strain hysteresis loops;
— a recorder for several time-dependent parameters, e.g. force, strain and temperature;
8 © ISO 2017 – All rights reserved

— a peak-to-peak detector
5.4.2 Cycle counter
A cycle counter is essential for knowing the number of straining cycles. For the majority of the strain
rates used, counters without multiplication factors should suffice.
5.5 Checking and verification
The test machine and its control and measurement systems shall be checked regularly.
Specifically:
Each transducer and its associated electronics shall always be checked as a unit:
— the force-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or national
standard;
— the strain-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or national
standard;
— the temperature-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or
national standard.
It is considered good engineering practice and testing protocol before each series of tests to check the
gauge length of the extensometer, the force transducer and the extensometer calibration using a shunt
resistor or alternate suitable method, and also to check the thermocouple or pyrometer calibration.
6 Specimens
6.1 Geometry
6.1.1 Round bars
The gauge portion of the specimen in a low-cycle fatigue test should represent a volume element of the
material under study, which implies that the geometry of the specimen shall not affect the use of the
test results.
This geometry shall fulfil the following conditions:
— provide a uniform cylindrical gauge portion;
— minimize the risk of buckling in compression to avoid failure initiation at the transition radius;
— provide a uniform strain distribution over the whole gauge portion;
— allow the extensometer to measure the strain without interference or slippage.
The parallel-sided length of the specimen shall be longer than the extensometer gauge length. However,
to reduce the risk of failure outside the extensometer gauge length, it should not exceed L > L – d/2.
There shall be no undercutting due to machining of the parallel length at the transition radii or
elsewhere on the gauge section. This feature may be checked with an optical comparator at reasonable
magnification (i.e. approximately 10× to 25×) to ensure that there is no undercutting.
Taking into account these requirements, the experience gained by a large number of laboratories and
the results of calculations taken from different types of specimens (see References [24], [25], [26], [27],
[28], [29], [30], [31], [32] and [33]), the following geometric dimensions for cylindrical specimens (see
Figure 3) are recommended:
— diameter of cylindrical gauge length:                5 mm ≤ d ≤ 10mm
— gauge length:                                       4d ≥ L ≥ 2d
p
— transition radius (from parallel length to grip end):  r ≥ 2d
— external diameter (grip end):                       D ≥ 2d
— length of reduced section:                          L ≤ 8d
r
Other geometric cross-sections and gauge lengths may be used for specimens provided that uniform
distribution of stress and strain in the gauge length is ensured.
The dimensions of end connections shall be defined as a function of the test machine. Recommended
end connections are as follows:
— smooth cylindrical connection (with hydraulic jaws);
— button-end connection.
The test fixture shall locate the specimen and provide axial alignment. It shall not permit backlash.
Design of the test fixture will depend on the specimen end details. A number of examples are shown in
Figure 4.
Designs of fatigue specimens in which alignment may depend on screw threads are not recommended
and should be avoided.
z
p
r
NOTE All dimensions in millimetres.
Figure 3 — Recommended geometry of cylindrical specimen
6.1.2 Flat sheet products
6.1.2.1 General
In general, the considerations discussed in the preceding paragraphs also apply to tests on flat sheet
products. However, these tests may require specific geometries and special fixtures in order to avoid
problems of bifurcation buckling.
Because low forces are generally applied, more sensitive force transducers may be required. The
gripping system may necessitate the use of flat mechanical or hydraulic jaws. However, with the latter
type of assembly, it is difficult to ensure correct axial alignment.
10 © ISO 2017 – All rights reserved

In general, the width of the specimen is reduced in the gauge length to avoid failures at the specimen/grip
interface or within the grips. In some applications, it may be necessary to add end tabs to increase the
grip end thickness, as well as to avoid failure in the grips (see Figure 5).
The correct alignment of the specimen shall be carefully checked with a trial specimen for:
— parallelism and alignment of the grips;
— alignment of specimen with the loading axis.
This verification shall be carried out using a specimen, with geometry as similar as possible to that of
the test specimen, instrumented with strain gauges on the two faces.
a a
b
b
c
c
a) Button-head fixture b) Button-head or efficiency button-head fix-
ture
a
c
c) Straight-sided (cylindrical) specimen fixture
Key
1 clamp 6 conical split collar
2 body of fixture 7 cylindrical specimen
3 cylindrical split collar 8 body of fixture
4 button-head specimen 9 conical chuck
5 button-head or efficiency button-head specimen
The clamping force shall be greater than the cyclic load to avoid backlash within the specimen.
a Clamping force.
b Flat anvil for specimen alignment.
c Cyclic load.
Figure 4 — Schematic examples of fixing techniques for various specimen designs
a
b
Key
1 body of fixture
2 conical clamp
3 sheet specimen
4 conical chuck
5 bent end tabs to prevent grip indentation in gripping area (may be held in place by epoxy)
6 rounded end tabs
a
Clamping force.
b
Cyclic load.
Figure 5 — Gripping scheme for flat-sheet specimen
It is possible to conduct tests of flat specimens with thicknesses between 2,5 mm and 5 mm without
anti-buckling restraints since they are reasonably thick and should resist the propensity for bifurcation
buckling.
A possible geometry for a flat specimen is shown in Figure 6. In this case, it is preferable to use an
extensometer positioned on one face of the specimen rather than on the edge since there is instability
of the attachment on such a thin face.
12 © ISO 2017 – All rights reserved

L
z
L
p
NOTE All dimensions in millimetres.
Figure 6 — Possible geometry of flat-sheet specimen
The use of anti-buckling restraints may be necessary for flat specimens with thicknesses less than
2,5 mm and this may limit the maximum test temperature. The restraint geometries should be matched
to those of the specimens and shall allow strains to be measured.
A number of precautions are required to limit the increase in force induced by friction between the
restraint and specimen. This friction shall not, at any time, create a force increase greater than 2 %
of the applied force. The use of a polytetrafluoroethylene (PTFE) film approximately 1 mm thick, for
example, offers a partial solution to this problem, as does boron nitride powder as a dry lubricant.
Hydrocarbon-based lubricants are not recommended since they may affect the test results.
The frictional forces may vary from one specimen to another. They shall be measured before each test
from the force-displacement curves recorded in the elasticity range of the material in tension with and
without anti-buckling restraints. It may be advisable to use two identical extensometers positioned on
both sides of the specimen and use the average signal to control the test. This is wise not only in this
instance but for axial strain-controlled fatigue testing, in general, should greater strain measurement
accuracy be desired. An example of an anti-buckling restraint is shown in Figure 7.
Key
1 polytetrafluoroethylene (PTFE) film
2 specimen
Figure 7 — Anti-buckling restraints for flat-sheet specimen
6.2 Preparation of specimens
6.2.1 General
In any low-cycle fatigue or a creep-fatigue test programme designed to characterize the intrinsic
properties of a material, it is important to observe the following recommendations in the preparation
of specimens. A deviation from these recommendations is possible if the test programme aims to
determine the influence of a specific factor (surface treatment, oxidation, etc.) that is incompatible with
these recommendations. In all cases, any deviation shall be noted in the test report.
6.2.2 Machining procedure
If the test material requires heat treatment it should be conducted prior to machining the test specimens.
The machining procedure selected may produce residual stresses on the specimen surface likely to
affect the test results. These stresses may be induced by heat gradients at the machining stage or they
may be associated with deformation of the material or microstructural alterations. Their influence is
less marked in tests at elevated temperatures because they are partially or totally relaxed once the
temperature is maintained. However, using an appropriate final machining procedure, especially prior
to a final polishing stage, should reduce such residual stresses. For harder materials, surface grinding
rather than tool operation (turning or milling) may be preferred.
— Grinding: from 0,1 mm of the final diameter for round specimens or thickness of flat specimens at a
rate of no greater than 0,005 mm/pass.
14 © ISO 2017 – All rights reserved

— Polishing: remove the final 0,025 mm with abrasives of decreasing grit size. It is recommended that
the final direction of polishing be along the specimen axis.
NOTE 1 Alteration in the microstructure of the material.
This phenomenon may be caused by the increase in temperature and by the strain-hardening induced by
machining. It may be a matter of a change in metallurgical phase or more frequently, of surface recrystallization.
The immediate effect of this is to render the test invalid as the material tested is no longer the initial material.
Every precaution should therefore be taken to avoid this risk.
NOTE 2 Introduction of contaminants.
The mechanical properties of certain materials deteriorate in the presence of certain elements or compounds.
Examples of this are the effect of chlorine and hydrogen on steels and titanium alloys. These elements should
therefore be avoided in the products used (cutting fluids, cleaning fluids, such as alcohols, acidic compounds,
etc.). Rinsing and degreasing of the specimens in appropriate fluids prior to storage is recommended.
It is highly recommended that traceability of the machining processes be employed and subsequently
logged in the test report. It is also prudent to indicate the location, orientation, and position of each
specimen should a starting form other than a bar or rod be used as the test program material. For
example, a forging, casting or an additive manufactured product where such variables as indicated
above would influence fatigue response. ISO 377 specifies requirements for the identification, loc
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 12106
Deuxième édition
2017-03
Matériaux métalliques — Essais de
fatigue — Méthode par déformation
axiale contrôlée
Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-controlled
method
Numéro de référence
©
ISO 2017
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: [phone]
E-mail: [e-mail]
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 3
4.1 Éprouvettes . 3
4.2 Essai de fatigue . 4
4.2.1 Symboles . 4
4.2.2 Indices . 5
4.3 Expression des résultats . 5
5 Appareillage . 5
5.1 Machine d'essai . 5
5.1.1 Généralités . 5
5.1.2 Capteur de force . 6
5.1.3 Amarrage de l'éprouvette. 6
5.1.4 Contrôle d'alignement . 6
5.2 Mesure de la déformation. 7
5.3 Dispositif de chauffage et mesure de la température . 8
5.4 Instruments de surveillance des essais . 8
5.4.1 Systèmes d'enregistrement . 8
5.4.2 Compteur de cycles . 9
5.5 Contrôle et vérification . 9
6 Éprouvettes . 9
6.1 Géométrie . 9
6.1.1 Barres rondes . 9
6.1.2 Produits plats .10
6.2 Préparation des éprouvettes .15
6.2.1 Généralités .15
6.2.2 Procédure d'usinage .15
6.2.3 Échantillonnage et marquage .16
6.2.4 État de surface de l'éprouvette .17
6.2.5 Contrôle dimensionnel .17
6.2.6 Stockage et manutention .17
7 Mode opératoire.18
7.1 Environnement de laboratoire .18
7.2 Contrôle de la machine d'essai .18
7.3 Montage de l'éprouvette .18
7.4 Forme du cycle — Vitesse de déformation ou fréquence de cyclage .19
7.5 Début de l'essai .20
7.5.1 Mesures préliminaires .20
7.5.2 Démarrage de l'essai .20
7.6 Nombre d'éprouvettes .21
7.7 Enregistrement de données .21
7.7.1 Boucles d'hystérésis contrainte-déformation .21
7.7.2 Acquisition des données .21
7.8 Fin de l'essai .21
7.9 Critères de rupture .22
8 Essai de fluage-fatigue par déformation contrôlée à haute température .24
9 Expression des résultats.25
9.1 Données de base (données consignées (voir 7.7)) .25
9.2 Analyse des résultats de fatigue oligocyclique à R = −1 .25
e
9.2.1 Distinction entre différents types de valeurs de contrainte .25
9.2.2 Détermination de la durée de vie en fatigue (voir 7.9) .26
9.2.3 Relations entre contrainte-déformation et déformation-durée de vie en fatigue 26
9.3 Analyse des résultats de fatigue-fluage .28
10 Rapport d’essai .28
10.1 Généralités .28
10.2 Objectif de l'essai .28
10.3 Matériau .28
10.4 Éprouvette . .28
10.5 Méthodes d’essai .28
10.6 Conditions d’essai .29
10.7 Présentation des résultats .29
10.7.1 Présentation des résultats d'essai simples .29
10.7.2 Présentation des résultats de la série d'essais .30
10.8 Valeurs à stocker dans une base de données de fatigue oligocyclique .31
Annexe A (informative) Incertitude de mesure .33
Annexe B (informative) Exemples de présentation graphique des résultats .35
Bibliographie .39
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Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
https:// www .iso .org/ fr/ directives -and -policies .html).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir https:// www .iso .org/ fr/ iso -standards -and -patents .html).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, de la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ foreword .html.
Le présent document a été élaboré par le comité d'études ISO/TC 164 Essais mécaniques des métaux,
sous-comité SC 5, Essais de fatigue.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 12106:2003), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Introduction
Les matériaux et leur microstructure peuvent changer lorsqu'ils sont soumis à des déformations
cycliques, leurs propriétés mécaniques pouvant être altérées de manière significative comparées à
celles résultant de déformations monotones, par exemple réponse contrainte-déformation uniaxiale. La
conception des composants mécaniques soumis à des charges de fatigue et à des déformations cycliques
exige, dans un certain nombre de secteurs industriels (c'est-à-dire nucléaire, aérospatial, véhicules
terrestres, appareils médicaux, etc.), une connaissance du comportement cyclique des matériaux dans
des conditions de contrôle des déformations alternées (appelées fatigue oligocyclique) en présence de
plasticité cyclique.
Pour assurer la fiabilité et la cohérence des résultats provenant de différents laboratoires, il est
nécessaire de collecter toutes les données à l'aide de méthodologies d'essai satisfaisant à un certain
nombre de points essentiels.
Le présent document porte tant sur la génération de ce type de données de fatigue par déformation
contrôlée aux températures ambiantes ou élevées aux rapports R (déformation) fixes, que sur la
présentation des résultats concernant les propriétés de fatigue, le comportement déformation-durée de
vie et les réponses contrainte-déformation des matériaux métalliques déterminés à un rapport R = −1.
e
Étant donné qu'il existe une relation étroite avec les essais de déformation contrôlée à haute
température, une section est également consacrée à la méthodologie d'essai en fatigue-fluage.
Le présent document n'aborde pas les problèmes de sécurité et de santé, si de tels problèmes existent,
qui peuvent être liés à son utilisation ou son application. Il relève de la responsabilité de l'utilisateur du
présent document d'établir toutes les questions appropriées en matière de sécurité et de santé, et de
déterminer l'applicabilité des limitations réglementaires nationales ou locales eu égard à l'utilisation
du présent document.
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NORME INTERNATIONALE ISO 12106:2017(F)
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par
déformation axiale contrôlée
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode d'essai des éprouvettes déformées de manière uniaxiale
sous contrôle de déformation à amplitude constante, température uniforme et rapport de déformation
fixe, notamment à R = −1, pour la détermination des propriétés de fatigue. Il peut également être utilisé
e
comme guide pour les essais réalisés sous d'autres rapports R, ainsi qu'à des températures élevées où la
déformation par fluage peut avoir des conséquences.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification des machines pour essais statiques
uniaxiaux — Partie 1: Machines d'essai de traction/compression — Étalonnage et vérification du système
de mesure de force
ISO 9513, Matériaux métalliques — Étalonnage des chaînes extensométriques utilisées lors d'essais
uniaxiaux
ISO 23788, Matériaux métalliques - Vérification de l'alignement axial des machines d'essai de fatigue
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
3.1
contrainte conventionnelle
force instantanée divisée par l'aire initiale de la section transversale de la partie calibrée
S= FA/
o
3.2
contrainte vraie
force instantanée divisée par l'aire instantanée de la section transversale de la partie calibrée
σ= FA/
Note 1 à l'article: À des déformations d'environ 10 %, la contrainte vraie est approchée par la contrainte
conventionnelle, F/Ao. Il est également important de noter qu'à des déformations jusqu’à environ 10 %, la
déformation réellement mesurée par l'extensomètre et utilisée comme paramètre de contrôle dans un essai est
la déformation conventionnelle.
3.3
longueur initiale
longueur entre repères
L
o
longueur initiale entre les points de mesure de l'extensomètre à la température d'essai
3.4
longueur parallèle
L
p
longueur entre les congés de raccordement de l'éprouvette
3.5
déformation
déformation conventionnelle
LL−
ΔL
io
e==
L L
p o
déformation totale vraie
L
dL
ε =
∫
L
L
où
L est la longueur instantanée de la partie calibrée;
i
L est la longueur initiale ou la longueur entre repères.
o
Note 1 à l'article: À des valeurs de déformation vraie d'environ 10 %, ε est approché par la déformation
conventionnelle e = ΔL/L. Il est également important de noter qu'à des déformations d'environ 10 %, la
déformation conventionnelle est la grandeur mesurée par l'extensomètre et le paramètre contrôlé dans un essai
de fatigue par déformation contrôlée.
3.6
cycle
plus petit segment de la fonction déformation-temps qui est répété de façon périodique
3.7
maximum
plus grande valeur algébrique d'une variable à l'intérieur d'un cycle
3.8
minimum
plus petite valeur algébrique d'une variable à l'intérieur d'un cycle
3.9
moyenne
moitié de la somme algébrique des valeurs maximum et minimum d'une variable
3.10
étendue
différence algébrique entre les valeurs maximum et minimum d'une variable
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3.11
amplitude
moitié de l'étendue d'une variable
3.12
durée de vie en fatigue
N
f
nombre de cycles qui doivent être appliqués pour atteindre une rupture
Note 1 à l'article: Des critères de défaillance sont définis, par exemple, en 7.8. Le critère de rupture utilisé doit
être consigné avec les résultats et être cohérent sur toute une série d'essais de fatigue.
3.13
boucle d'hystérésis
courbe fermée de la réponse contrainte-déformation pendant un cycle
Note 1 à l'article: Il est assez fréquent que les premières boucles d'hystérésis d'une séquence d'essais puissent
ne pas être totalement “fermées” en raison d'un adoucissement cyclique, d'un durcissement cyclique, d'une
relaxation de contrainte cyclique, d'une “accommodation” de contrainte ou d'un rochet.
4 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles définis de 4.1 à 4.3 s’appliquent.
4.1 Éprouvettes
Voir le Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles et désignations concernant les éprouvettes
Éprouvette Symbole Désignation Unité
L Longueur initiale ou longueur entre mm
repères
L Longueur instantanée entre repères mm
i
A Aire initiale de la section calibrée mm
A Aire instantanée de la section calibrée mm
avec AL = A L
0 0
A Aire minimale à la rupture mm
f
Congé de raccordement (à partir de la
r longueur parallèle dans l'extrémité de mm
tête d'amarrage de l'éprouvette)
L Longueur totale de l'éprouvette mm
z
Cylindrique
d Diamètre de la section calibrée cylindrique mm
D Diamètre de la tête d'amarrage de l'éprou- mm
vette
Feuille plane
t Épaisseur mm
W Largeur de la tête d'amarrage mm
w Largeur de la section calibrée mm
4.2 Essai de fatigue
4.2.1 Symboles
Tableau 2 — Symboles et désignations des variables et propriétés
Symbole Définition Unités
E Module d'élasticité Gigapascals (GPa)
valeur moyenne de la pente de la
partie linéaire initiale d'une courbe
contrainte-déformation
E module de déchargement après une Gigapascals (GPa)
T
contrainte maximale (voir Figure 1),
E module de déchargement après une Gigapascals (GPa)
C
contrainte minimale (voir Figure 1)
N nombre de cycles avant rupture
f
t temps avant rupture; t = T·N , où T Secondes (s)
f f f
est la période du signal (durée de la
longueur d'onde)
σ contrainte vraie Mégapascals (MPa)
S contrainte conventionnelle Mégapascals (MPa)
e déformation conventionnelle
vitesse de déformation Secondes à la puissance moins
−1
un (s )
où t = temps
ε déformation vraie
Δ étendue d'une variable
R rugosité moyenne de surface Micromètres (µm)
z
R Rapport de déformation = (e /
e min
e )
max
Figure 1 — Boucle d'hystérésis contrainte-déformation à R = −1
e
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NOTE La déformation plastique à partir d'une boucle d'hystérésis stabilisée contrainte-déformation
est définie comme étant de la déformation non réversible à la contrainte moyenne définie par (S + S )/2
max min
pour caractériser la réponse en contrainte, en régime établi, dans le cadre d'un essai de déformation contrôlée.
Souvent, il s'agit de la largeur de la boucle d'hystérésis à contrainte nulle, mais cela peut ne pas être le cas dans
certains métaux.
4.2.2 Indices
Tableau 3 — Indices et signification
Indice Signification
t total
p plastique
e élastique
a amplitude
m moyenne
min minimum
max maximum
4.3 Expression des résultats
Voir le Tableau 4.
Tableau 4 — Symboles et désignations concernant l'expression des propriétés de fatigue pour
les essais avec R = −1
e
Symbole Désignation Unité
a
σ Limite d'élasticité cyclique MPa
y′
n Exposant d'écrouissage monotone —
n′ Exposant d'écrouissage cyclique —
K Coefficient de résistance monotone MPa
K′ Coefficient de résistance cyclique MPa
σ Coefficient de résistance à la fatigue MPa
f′
b Exposant de résistance en fatigue —
ε Coefficient de ductilité en fatigue —
f′
c Exposant de ductilité en fatigue —
a
Un décalage de 0,2 % est en général utilisé.
5 Appareillage
5.1 Machine d'essai
5.1.1 Généralités
Les essais doivent être réalisés sur une machine de traction-compression uniaxiale conçue pour
démarrer sans à-coup et sans jeu mécanique lors du passage à zéro de la contrainte. La machine
doit pouvoir contrôler la déformation et mesurer la force lors de l'application de la forme d'onde
recommandée. Il convient qu'elle soit axialement rigide et bien alignée. Il convient que l'ensemble
machine-système de chargement, y compris le capteur de force et les têtes d'amarrage, présente une
rigidité latérale suffisante pour éviter le flambage de l'éprouvette aux valeurs extrêmes de la contrainte
de compression.
NOTE Voir l'ISO 23788:2012, Annexe C pour une méthode de détermination de la rigidité latérale d'une
machine d'essai.
5.1.2 Capteur de force
Le capteur de force doit être conçu pour les essais de fatigue en traction-compression, et il convient qu'il
présente une importante rigidité axiale et latérale. Sa capacité doit être adaptée aux forces appliquées
pendant l'essai. Le capteur de force doit satisfaire à l'ISO 7500-1:2015, Classe 1.
La force indiquée telle qu'elle est enregistrée à la sortie d'un ordinateur dans un système automatisé
ou du dispositif d'enregistrement d'un système non automatisé doit être dans les limites de la variation
admise spécifiée par rapport à la force réelle. La capacité du capteur de force doit être suffisante pour
couvrir l’étendue de forces dynamiques mesurées pendant un essai. Le système de mesure de la force
doit satisfaire à l'ISO 7500-1:2015, Classe 1.
Le capteur de force doit être stabilisé en température avec un coefficient de température à zéro, et
l'étendue ne doit pas dépasser 0,002 % de la pleine échelle par degré Celsius. De plus, il convient d'éviter
les gradients de température dans le capteur de force.
Lors d’essais à haute température ou cryogéniques, un blindage/une compensation adapté(e) peut être
prévu(e) pour la cellule, de manière à la maintenir dans les limites de son étendue de compensation.
5.1.3 Amarrage de l'éprouvette
Le système d’amarrage doit transmettre les forces cycliques à l'éprouvette sans jeu mécanique le long
de son axe longitudinal. Il convient de réduire le plus possible la longueur totale de l’axe de chargement
afin d'éviter toute tendance au flambage de l'éprouvette. Les qualités géométriques du dispositif
doivent permettre un alignement correct afin de satisfaire aux exigences spécifiées en 5.1.4. Il est donc
nécessaire de limiter le nombre de composants dont ces systèmes d’amarrage sont constitués et de
réduire au minimum le nombre d'interfaces mécaniques.
Le système d’amarrage doit assurer le caractère reproductible de la manière dont l'éprouvette est
montée. Ses caractéristiques géométriques doivent assurer le bon alignement de l'éprouvette et avoir
des surfaces préchargées permettant la transmission des forces de traction et de compression sans jeu
mécanique sur toute la durée de l'essai. Les matériaux doivent être choisis de manière à assurer le bon
fonctionnement sur l’étendue de températures d'essai.
5.1.4 Contrôle d'alignement
En général, dans une machine d'essai avec des systèmes de têtes d'amarrage rigides, la flexion due au
mauvais alignement est provoquée par des décalages angulaires et/ou latéraux des têtes d'amarrage
(voir Figure 2).
L'alignement de la machine d'essai doit être vérifié avant chaque série d'essais et à chaque modification
apportée au système de mise en charge conformément à l'ISO 23788. L'alignement de la machine doit
être au maximum de Classe 5 selon l'ISO 23788.
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θ/2
θ/2
a)  Décalage angulaire b)  Décalage latéral
c)  Décalage du système de mise en charge dans un système non rigide
Figure 2 — Mécanismes de flexion due au mauvais alignement dans les systèmes d'essai de
fatigue
Dans une procédure d'alignement correcte de la machine d'essai/système d’amarrage, ces principes
sont importants, car ils doivent:
— assurer l'alignement axial de l'éprouvette et des lignes d’amarrage,
— s'assurer que les faces des pièces correspondantes de l'éprouvette et des lignes d’amarrage soient
parallèles et perpendiculaires à l'axe de symétrie,
— s'assurer que la rigidité latérale de l’axe de chargement et du châssis soit suffisante pour le maintien
axial lorsque la longueur calibrée de l'éprouvette est devenue plastique (le module tangent tend
vers zéro).
5.2 Mesure de la déformation
La déformation doit être mesurée sur l'éprouvette à l'aide d'un extensomètre axial.
L'extensomètre utilisé doit être adapté au mesurage de la déformation dynamique sur de longues
périodes au cours desquelles la dérive, le glissement et l'hystérésis de l'instrument doivent être
minimaux. Il doit mesurer directement la déformation axiale sur la section calibrée de l'éprouvette.
Le système de mesure de la déformation, y compris l'extensomètre et ses éléments électroniques
connexes, doit satisfaire à l'ISO 9513:2012, Classe 1.
La géométrie des zones de contact et la pression exercée par l'extensomètre sur l'éprouvette doivent
être de nature à empêcher le glissement de l'extensomètre, mais sans endommager l'éprouvette.
La partie transducteur de l'extensomètre doit être protégée des fluctuations thermiques qui augmentent
la dérive potentielle, en particulier aux températures élevées.
5.3 Dispositif de chauffage et mesure de la température
NOTE Voir les références [16],[20],[21] et[22].
Une élévation uniforme de la température doit être assurée sans dépasser la température d'essai.
Si un système de chauffage par induction directe est utilisé, il est conseillé de choisir un générateur
dont la fréquence est suffisamment basse pour empêcher les “effets de peau” du chauffage.
Le dispositif de chauffage doit générer un gradient de température ne dépassant pas 3 °C sur la
longueur entre repères de l'éprouvette et doit s'assurer, tout au long de l'essai, et en tenant bien compte
de toutes les sources combinées d'erreur, que les écarts entre la température d'essai et la température
de l'éprouvette soient dans les limites de ±2,5 °C.
Ces écarts doivent être vérifiés à l'aide de trois thermocouples ou par d'autres dispositifs appropriés,
un à chaque extrémité et un au milieu de la longueur entre repères de l'éprouvette.
Dans un essai, la température de l'éprouvette peut être mesurée à l'aide de thermocouples en contact
avec la surface de l'éprouvette. Un contact direct entre le thermocouple et l'éprouvette est nécessaire
et doit être obtenu sans affecter les résultats d'essai (les fissures au point de contact du thermocouple
doivent être évitées, par exemple). Les méthodes de fixation des thermocouples les plus souvent
utilisées sont le serrage, la pression ou le soudage par points par résistance.
La température doit être mesurée par au moins un capteur indépendant de celui utilisé pour le contrôle.
5.4 Instruments de surveillance des essais
5.4.1 Systèmes d'enregistrement
Aujourd'hui, il est fréquent que le matériel utilisé pour les essais de fatigue oligocyclique soit commandé
par ordinateur et équipé de systèmes d'acquisition de données numériques. Des plateformes logicielles
équipées de systèmes numériques modernes permettent une commande d'essai précise et assurent
la génération de rapport d’essai. Elles offrent en général un affichage numérique en temps réel dans
le domaine numérique ou analogique des données d'essai, et permettent également de générer et de
stocker les résultats d'essai sous forme graphique et dans des tableaux.
Dans ce type de système numérique classique, la fréquence d'échantillonnage pour la mesure des
données contrainte et déformation doit être suffisante pour définir correctement la boucle d'hystérésis,
en particulier dans les régions d'alternance de déformation aux extrémités de la boucle d'hystérésis.
Toutefois, les différentes stratégies de collecte de données affectent le nombre nécessaire de points de
données par boucle. En général, au moins 50 points par boucle sont suffisants, mais 200 points ou plus
par boucle sont vivement recommandés.
Compte tenu du nombre de systèmes analogiques encore utilisés, les exigences minimales suivantes
doivent être prises en considération pour l'enregistrement analogique des données:
— un enregistreur X-Y utilisé pour enregistrer les boucles d'hystérésis contrainte-déformation;
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— un enregistreur pour plusieurs paramètres en fonction du temps, par exemple la force, la déformation
et la température;
— un détecteur crête à crête.
5.4.2 Compteur de cycles
Un compteur de cycles est essentiel pour connaître le nombre de cycles de déformation. Pour la majorité
des vitesses de déformation utilisées, les compteurs sans facteur de multiplication suffisent.
5.5 Contrôle et vérification
La machine d'essai et ses systèmes de commande et de mesure doivent être contrôlés régulièrement.
En particulier:
Chaque capteur et ses éléments électroniques connexes doivent toujours être contrôlés comme une
unité:
— le(s) système(s) de mesure de la force doi(ven)t être vérifié(s) conformément à la norme ISO ou
norme nationale correspondante;
— le(s) système(s) de mesure de la déformation doi(ven)t être vérifié(s) conformément à la norme ISO
ou norme nationale correspondante;
— le(s) système(s) de mesure de la température doi(ven)t être vérifié(s) conformément à la norme ISO
ou norme nationale correspondante.
Le contrôle de la longueur entre repères de l'extensomètre, le contrôle du capteur de force et le contrôle
de l'étalonnage de l'extensomètre à l'aide d'une résistance shunt ou d'une autre méthode adaptée, ainsi
que le contrôle de l'étalonnage du thermocouple ou du pyromètre sont considérés comme de bonnes
pratiques techniques et de bons protocoles d'essai avant de procéder à chaque série d'essais.
6 Éprouvettes
6.1 Géométrie
6.1.1 Barres rondes
Il convient que la partie calibrée de l'éprouvette dans un essai de fatigue oligocyclique représente un
élément de volume du matériau à l'étude, ce qui implique que la géométrie de l'éprouvette ne doit pas
affecter l'utilisation des résultats d'essai.
Cette géométrie doit satisfaire aux conditions suivantes:
— avoir une partie calibrée cylindrique uniforme;
— réduire le plus possible le risque de flambage en compression afin d'éviter toute rupture au congé
de raccordement;
— assurer d’une répartition uniforme des contraintes sur l'ensemble de la partie calibrée;
— permettre à l'extensomètre de mesurer la déformation sans interférence ni glissement.
La longueur parallèle de l'éprouvette doit être plus longue que la longueur entre repères de
l'extensomètre. Toutefois, pour réduire le risque de rupture à l'extérieur de la longueur entre repères
de l'extensomètre, il convient de ne pas dépasser L > L – d/2.
Il ne doit y avoir aucun caniveau après l'usinage sur la longueur parallèle ni au congé de raccordement ni
ailleurs sur la section calibrée. Cette caractéristique peut être contrôlée avec un comparateur optique
proposant un grossissement raisonnable (c'est-à-dire environ 10 × à 25 × ) pour s'assurer de l'absence
de caniveau.
Compte tenu de ces exigences, de l'expérience acquise par un grand nombre de laboratoires et des
résultats de calculs pris sur différents types d'éprouvettes (voir les références [24],[25],[26],[27],[28],[
29],[30],[31],[32] et[33]), les dimensions géométriques ci-après pour les éprouvettes cylindriques (voir
la Figure 3) sont recommandées:
— diamètre de la longueur cylindrique entre repères: 5 mm ≤ d ≤ 10mm
— longueur entre repères: 4d ≥ L ≥ 2d
p
— congé de raccordement (entre la longueur parallèle et la tête d'amarrage): r ≥ 2d
— diamètre extérieur (tête d'amarrage): D ≥ 2d
— longueur de la section réduite: L ≤ 8d
r
D'autres sections géométriques et longueurs entre repères peuvent être utilisées sous réserve d'assurer
une répartition uniforme des contraintes et déformations dans la longueur entre repères.
Les dimensions des connexions d'extrémité doivent être définies en fonction de la machine d'essai. Les
connexions d'extrémité recommandées sont les suivantes:
— connexion cylindrique lisse (à mors hydrauliques);
— connexion à tête ronde.
Le montage d'essai doit positionner l'éprouvette et assurer l'alignement axial. Il ne doit admettre aucun
jeu mécanique. La conception du montage d'essai dépend de la géométrie des extrémités de l'éprouvette.
Un certain nombre d'exemples sont donnés à la Figure 4.
Les géométries d'éprouvette de fatigue dont l'alignement peut dépendre de filetages ne sont pas
recommandées, et il convient de les éviter.
z
p
r
NOTE Toutes les dimensions sont en millimètres.
Figure 3 — Géométrie recommandée d'une éprouvette cylindrique
6.1.2 Produits plats
6.1.2.1 Généralités
En règle générale, les considérations présentées dans les alinéas précédents s'appliquent également aux
essais réalisés sur des produits plats. Toutefois, ces essais peuvent exiger des géométries spécifiques et
des montages particuliers pour éviter les problèmes de flambage par bifurcation.
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De faibles forces étant en général appliquées, des capteurs de force plus sensibles peuvent être
nécessaires. Le système d’amarrage peut nécessiter l'utilisation de mors mécaniques ou hydrauliques
plats. Toutefois, avec ce dernier type d'assemblages, il est difficile d'assurer un alignement axial correct.
En général, la largeur de l'éprouvette est réduite dans la longueur entre repères afin d'éviter les
ruptures à l'interface éprouvette/tête d'amarrage ou à l'intérieur des têtes d'amarrage. Dans certaines
applications, il peut s'avérer nécessaire d'ajouter des cales d'extrémité pour augmenter l'épaisseur de
l'extrémité de tête d'amarrage et éviter une rupture dans les têtes d'amarrage (voir Figure 5).
L'alignement correct de l'éprouvette doit être soigneusement contrôlé avec une éprouvette pour:
— le parallélisme et l'alignement des têtes d'amarrage;
— alignement de l'éprouvette et de l'axe de chargement.
Cette vérification doit être réalisée avec une éprouvette, d'une géométrie aussi proche que possible de
celle de l'éprouvette, équipée de jauges de déformation sur les deux faces.
a a
b
b
c
c
a) Montage à tête ronde b) Montage à tête ronde ou à tête ronde effi-
cient
a
c
c)  Montage d'éprouvette droit (cylindrique)
Légende
1 collier 6 collier de serrage conique
2 corps du montage 7 éprouvette cylindrique
3 collier de serrage cylindrique 8 corps du montage
4 éprouvette à tête ronde 9 mandrin conique
5 éprouvette à tête ronde ou à tête ronde efficient
La force de serrage doit être supérieure à la charge cyclique afin d'éviter un jeu mécanique dans l'éprouvette.
a
Force de serrage.
b
Enclume plate pour l'alignement d'éprouvette.
c
Charge cyclique.
Figure 4 — Exemples schématiques de techniques de montage pour différentes conceptions
d'éprouvette
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a
b
Légende
1 corps du montage
2 collier conique
3 éprouvette plate
4 mandrin conique
5 cales d'extrémité courbés pour éviter l'indentation de la tête d'amarrage dans la zone d’amarrage (peuvent être
mis en place par l'époxy)
6 cales d'extrémité arrondies
a
Force de serrage.
b
Charge cyclique.
Figure 5 — Schéma d’amarrage pour éprouvette plate
L'essai des éprouvettes plates d'une épaisseur comprise entre 2,5 mm et 5 mm peut être réalisé sans
raidisseur antiflambage, compte tenu que leur épaisseur raisonnable devrait permettre d’éviter le
flambage par bifurcation.
Une géométrie d'éprouvette plate possible est présentée à la Figure 6. Dans ce cas, il est préférable
d'utiliser un extensomètre positionné sur une face de l'éprouvette plutôt que sur la tranche, compte
tenu de l'instabilité de la fixation sur une face mince.
L
z
L
p
NOTE Toutes les dimensions sont en millimètres.
Figure 6 — Géométrie possible d'une éprouvette plate
L'utilisation de raidisseurs antiflamblage peut s'avérer nécessaire pour les éprouvettes plates de
moins de 2,5 mm d'épaisseur, cela pouvant limiter la température d'essai maximale. Il convient que les
géométries de raidisseur soient adaptées à celles des éprouvettes et doivent permettre de mesurer les
déformations.
Un certain nombre de précautions sont exigées pour limiter l'augmentation de la force induite par le
frottement entre le raidisseur et l'éprouvette. Ce frottement ne doit en aucun cas créer une augmentation
de force supérieure à 2 % de la force appliquée. L'utilisation d'une feuille de polytétrafluoroéthylène
(PTFE) d'environ 1 mm d'épaisseur, par exemple, permet de résoudre en partie ce problème, comme
cela est le cas de la poudre de nitrure de bore faisant office de lubrifiant sec. Les lubrifiants à base
d'hydrocarbures ne sont pas recommandés, car ils peuvent avoir un impact sur les résultats d'essai.
Les forces de frottement peuvent varier d'une éprouvette à l'autre. Elles doivent être mesurées avant
chaque essai à partir de courbes force-déplacement enregistrées dans le domaine d'élasticité du matériau
en traction ave
...