ISO 15653:2018
(Main)Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
ISO 15653:2018 specifies methods for determining fracture toughness in terms of stress intensity factor (K), crack tip opening displacement or CTOD (δ) and experimental equivalent of the J-integral for welds in metallic materials (J). ISO 15653:2018 complements ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness testing of parent metal and which needs to be used in conjunction with this document. This document describes methods for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a way of obtaining a valid R-curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation methods described in this document could be usefully employed when determining R-curves for welds. The methods use fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific target area in the weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within the target area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then, where appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique à la rupture des soudures
ISO 15653:2018 spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en termes de facteur d'intensité de contrainte (K), d'écartement à fond de fissure, CTOD (δ) et d'équivalent expérimental de l'intégrale pour les soudures dans les matériaux métalliques (J). ISO 15653:2018 complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à la rupture du métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. Ce document décrit des méthodes de détermination des valeurs ponctuelles de la ténacité à la rupture. Elle ne doit pas être considérée comme étant une méthode permettant d'obtenir une courbe R valide (résistance à la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites dans la présente Norme internationale peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes R pour les soudures. La présente méthode utilise des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été entaillées, après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites pour évaluer l'adaptabilité d'une soudure à l'emplacement des entailles dans la surface cible qui se trouve soit dans la zone fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas de besoin, pour évaluer l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de la traversée de ces surfaces.
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15653
Second edition
2018-01
Metallic materials — Method of test
for the determination of quasistatic
fracture toughness of welds
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la
ténacité quasi statique à la rupture des soudures
Reference number
ISO 15653:2018(E)
©
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2018
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form 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 the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and units . 3
5 Principle . 3
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location .4
6.1 Classification of target area for notching . 4
6.2 Specimen design . 4
6.3 Specimen and crack plane orientation . 4
7 Pre-machining metallography. 8
7.1 Microstructural assessment of macrosections . 8
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests . 9
8 Machining. 9
8.1 Tolerances on specimen dimensions . 9
8.2 Notch placement for through-thickness notched specimens .10
8.3 Notch placement for surface-notched specimens.10
8.4 Notch machining .11
9 Specimen preparation .16
9.1 Fatigue precracking .16
9.2 Side grooving .16
10 Test apparatus, requirements and test procedure .16
11 Post-test metallography .16
11.1 General .16
11.2 Through-thickness notched specimens .17
11.2.1 Sectioning .17
11.2.2 Assessment .17
11.3 Surface-notched specimens .17
11.3.1 Sectioning .17
11.3.2 Assessment .17
11.4 Assessment of pop-in .17
12 Post-test analysis .20
12.1 Choice of tensile properties .20
12.2 Determination of fracture toughness .21
12.2.1 K .
Ic 21
12.2.2 δ . 21
12.2.3 J . 22
12.2.4 Shallow-notched bend specimen .22
12.3 Qualification requirements .23
12.3.1 General.23
12.3.2 Weld-width-to-crack-ligament ratio .23
12.3.3 Crack front straightness .23
12.3.4 Symbols used to identify fracture toughness values .25
12.3.5 Through-thickness notched specimens .25
12.3.6 Surface-notched specimens .25
13 Test report .26
Annex A (informative) Examples of notch locations .27
Annex B (informative) Examples of pre-test and post-test metallography .29
© ISO 2018 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
Annex C (informative) Residual-stress modification and precracking technique .31
Annex D (normative) Assessment of pop-in .35
Annex E (informative) Shallow-notched bend specimen testing.42
Bibliography .45
iv © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals,
Subcommittee SC 4, Toughness testing — Fracture (F), Pendulum (P), Tear (T).
This second edition of ISO 15653 cancels and replaces the first edition (ISO 15653:2010), which has
been technically revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— new formulae for the calculation of single-point determination of CTOD (12.2.2) have been added;
— introduction for reverse bending in C.3 has been added;
— assessment of pop-in in D.1 has been clarified;
— new formula for the calculation for single-point determination of CTOD in shallow notched specimens
in E.4 has been added.
© ISO 2018 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 15653:2018(E)
Metallic materials — Method of test for the determination
of quasistatic fracture toughness of welds
1 Scope
This document specifies methods for determining fracture toughness in terms of stress intensity factor
(K), crack tip opening displacement or CTOD (δ) and experimental equivalent of the J-integral for welds
in metallic materials (J).
This document complements ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness testing of parent
metal and which needs to be used in conjunction with this document. This document describes methods
for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a way of obtaining a valid
R-curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation methods described
in this document could be usefully employed when determining R-curves for welds. The methods use
fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific target area in the
weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within the target
area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then, where
appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
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 12135:2016, Metallic materials — Unified method of test for the determination of quasistatic fracture
toughness
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 12135 and the following 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 https://www.iso.org/obp
3.1
stretch zone width
SZW
increase in crack length associated with crack tip blunting, i.e. prior to the onset of unstable crack
extension, pop-in ( 3.3) or slow stable crack extension, and occurring in the same plane as the fatigue
precrack
3.2
target area
intended fatigue crack tip position within the weld metal (3.7) or HAZ (3.9)
3.3
pop-in
abrupt discontinuity in the force versus displacement record, featured as a sudden increase in
displacement and, generally, a sudden decrease in force, subsequent to which displacement and force
increase to above their values at the initiation of the discontinuity
© ISO 2018 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
3.4
local compression
controlled compression applied to specimens in the thickness direction on the unnotched ligament
prior to fatigue cracking using hardened steel platens
Note 1 to entry: See Annex C.
3.5
welding
operation in which two or more parts are united by means of heat, friction, pressure or all three of
these, in such a way that there is continuity in the nature of the metal between these parts
Note 1 to entry: Filler metal, the melting temperature of which is of the same order as that of the parent metal,
may or may not be used.
3.6
weld
union of pieces of metal made by welding (3.5)
3.7
weld metal
all metal melted during the making of a weld (3.6) and retained in the weld
3.8
parent metal
metal to be joined by welding (3.5)
3.9
heat-affected zone
HAZ
zone in the parent metal that is metallurgically affected by the heat of welding (3.5)
3.10
fusion line
FL
junction between the weld metal (3.7) and the parent metal (3.8) heat-affected zone
3.11
weld positional
WP
target position for the fatigue crack tip, defined with respect to a reference line
Note 1 to entry: See Figure A.1 for examples.
3.12
specific microstructure
SM
target microstructure for the fatigue crack tip
Note 1 to entry: See Figure A.2 for examples.
3.13
specimen blank
specimen prepared from weld metal (3.7) plus parent metal (3.8) prior to notching
3.14
post-weld heat treatment
heat treatment applied after welding (3.5) for the purpose of reducing residual stresses or modifying
weld (3.6) properties
2 © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
4 Symbols and units
For the purposes of this document, the symbols and units given in Table 1 apply in addition to those in
ISO 12135.
Table 1 — Symbols and units
Symbol Unit Designation
d , d mm Lengths of microstructural features associated with pop-in.
1 2
h mm Effective weld width, defined as shortest distance between fatigue crack tip and
weld fusion line within the central 75 % of the thickness (see Figures 13 and 14).
HV10 Vickers hardness using 10 kg force.
N Normal to welding direction.
P Parallel to welding direction.
Q Weld thickness direction.
R MPa 0,2 % offset yield strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
p0,2b
R MPa 0,2 % offset yield strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
p0,2w
R MPa Tensile strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
mb
R MPa Tensile strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
mw
s mm Distance between crack tip and target area measured in the crack plane
1
(see Figure 12).
s mm Distance between crack tip and target area measured perpendicular to the
2
crack plane (see Figure 12).
V mm Crack mouth opening displacement at notch edge in bend specimen and that at
load line in compact specimen.
V mm Displacement measured by clip gauge mounted on knife edges.
g
V mm Displacement measured with the double clip gauge arrangement described
g1
in E.3 and illustrated in Figure E.1.
V mm Displacement measured with the double clip gauge arrangement described
g2
in E.3 and illustrated in Figure E.1.
X Direction parallel to primary grain flow of parent metal.
Y Direction transverse to primary grain flow and to thickness of parent metal.
Z Direction through thickness of parent metal.
Δa mm Maximum length of brittle crack extension (beyond SZW; see 3.1) associated with
pop
pop-in.
λ mm Length of specific microstructure measured in pre-test or post-test metallography
(see Figure B.2).
5 Principle
This document specifies procedures for the determination of fracture toughness on notched-plus-
fatigue-cracked specimens taken from welds. It pertains to situations where the fatigue crack tip is
a) located in relation to a weld feature of interest, referred to as “weld positional” (WP), and
b) specifically located within a microstructure of interest, referred to as “specific microstructure” (SM).
Metallographic examination of the weld is used to confirm that the target weld feature and/or
microstructure is indeed present at the crack tip and in sufficient quantity for testing.
Specimen geometry and notch orientation are chosen, and a fatigue crack then extended from the
specimen's notch tip into the target weld feature or microstructure by applying a controlled alternating
force to the specimen. The purpose of the test is to determine weld fracture toughness in the absence
of significant residual welding stresses. To achieve this and to produce a straight-fronted fatigue crack,
© ISO 2018 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
modifications to the fatigue precracking procedure may be required. These modifications are usually
necessary when testing as-welded or partially stress-relieved welds.
The fracture toughness test is performed and evaluated in accordance with ISO 12135, but subject to
additional requirements of this test method regarding post-test analysis (see 12.2.1, 12.2.2 and 12.2.3)
and qualification (see 12.3).
Post-test metallography is often required to make certain that the crack tip was located in the target
weld feature and/or microstructure and to determine the significance of pop-ins.
The sequence of operations is summarized in Figure 1.
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location
6.1 Classification of target area for notching
A specimen selected for weld positional (WP) testing is intended to test a defined weld region with
respect to a reference position (e.g. the weld metal centreline).
A specimen selected for specific microstructure (SM) testing is intended to sample a specific
microstructure along the whole or part of the crack front length within the central 75 % of the specimen
thickness.
NOTE Some examples of WP and SM notch locations are given in Annex A.
WP weld metal centreline notch locations sampling predominantly grain-refined regions may give
misleading (overly high) values of fracture toughness for misaligned two-pass and parallel multi-pass
welds. For these welds, it is recommended that the SM notch locations shown in Figures A.2 d) and e),
respectively, be used.
6.2 Specimen design
Specimen design shall be of compact or single-edge-notched bend configuration as defined in
ISO 12135 and may be plain-sided or side-grooved. Bend specimens notched into the plate thickness
(see Figures 2, 3 and 4, parent metal specimens XY and YX and weld metal specimens NP and PN) are
referred to as through-thickness notched specimens, while those notched into the planar surface of the
plate (see Figures 2, 3 and 4, parent metal specimens XZ and YZ and weld metal specimens NQ and PQ)
are referred to as surface-notched specimens.
NOTE Tolerances on weld specimen dimensions are less stringent than those for testing parent metal
(see 8.1).
Test specimens shall have the dimension B or W (see Figure 5) equal to the full thickness of the parent
metal adjacent to the weld to be tested (excluding weld overfill).
Testing of sub-sized (i.e. B or W < full thickness in directions Q for weld and Z for parent metal in
Figures 2, 3 and 4) and/or side-grooved specimens is permitted, but shall be properly identified as such
in the test report. Results from sub-sized and/or side-grooved specimens may differ from those from
full-thickness specimens owing to size effects and/or different microstructural regions being tested.
6.3 Specimen and crack plane orientation
Specimen and crack plane orientation relative to the weld and parent metal working directions shall be
defined using the identification system described in Figures 2, 3 and 4.
4 © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
Choose target area
Choose specimen size
and geometry
Choose notch
orientation
Speciic
microstructure, SM
Weld positional, WP
Pre-test
metallography
Yes Can SM be No
tested?
Prepare blank
Mark notch location
Notch
Modify
Yes
residual stesses
Choose Annex C
No
procedures
Fatigue pre-crack
specimen
Top specimen
Measure specimen
dimensions
and crack length
Post-text
metallography
Pop-in (WP or SM)
WP SM
No metallography Metallography Metallography
Assess pop-in
signiicance
Evaluate result
Report
Figure 1 — Flow chart for testing
© ISO 2018 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
1
X
YZ
Y
YX
XZ
XY
a) Parent metal
PQ
P
PN
N NQ
NP
b) Weld metal
Key
1 rolling direction
N normal to weld direction
P parallel to weld direction
Q weld thickness direction
NOTE 1 The first letter in the designation is the direction normal to the crack plane.
NOTE 2 The second letter in the designation is the expected direction of crack propagation.
NOTE 3 See ISO 3785 for the definitions of X, Y and Z.
Figure 2 — Crack plane orientation codes for fracture toughness
specimens of parent metal and weld metal
As shown in Figure 2, specimen orientations NP and PN shall be referred to as through-thickness
notched, while specimen orientations NQ and PQ shall be referred to as surface-notched.
6 © ISO 2018 – All rights reserved
Q
Z
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
12
12
Y
X
Y
X
3 4
a) Typical butt weld
Z
5
b) Cruciform joint
Key
1 HAZ
2 weld
3 weld specimen orientation NP/XY
4 weld specimen orientation NP/YX
5 through-crack NP/ZX or NP/ZY
X rolling direction
Q weld thickness direction
NOTE For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack
extension, the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the
parent metal rolling direction as shown in this figure and Figure 4.
Figure 3 — Crack plane orientation code for fracture toughness specimens
for testing the HAZ of a typical butt weld and cruciform joint
© ISO 2018 – All rights reserved 7
Q
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
1
NP/X
a) Typical butt weld
NQ/X
NQ/Y
Y
b) Angled cruciform joint
Key
1 rolling direction
NOTE For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack
extension, the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the
parent metal rolling direction as shown in this figure and Figure 3.
Figure 4 — Crack plane orientation codes for fracture toughness specimens
for testing the HAZ at an angle, α, to the parent metal rolling direction
for a typical butt weld and angled cruciform joint
7 Pre-machining metallography
7.1 Microstructural assessment of macrosections
When the notch target area is defined as SM, either separate macrosections or the ends of the welds
shall be prepared with the plane of the section perpendicular to the welding direction. These transverse
weld sections shall bound the length of weld to be tested to ensure that the target microstructure is
present at the expected crack tip position and in sufficient quantity for testing. The macrosections
shall be polished, etched and examined at a magnification suitable to identify the target area prior to
specimen manufacture. Where separate macrosections are prepared, their positions along the weld
shall be recorded.
Examination of the macrosections shall be used to establish that
a) in a through-thickness notched specimen, the intended crack tip is likely to reside in the target area
within the central 75 % of the thickness, and
8 © ISO 2018 – All rights reserved
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 15653:2018(E)
b) in a surface-notched specimen, the intended crack tip is no more than 0,5 mm from the target area.
If the desired microstructure is not present, there is insufficient quantity to test, or the crack tip
position tolerances cannot be achieved, the weld shall be rejected as unsuitable for testing to the SM
criteria. In this case, a new target area may be selected or a new weld prepared. If the bend specimen is
to be employed and the specific microstructure is available in sufficient quantity to test, but the crack
tip position tolerances cannot be achieved, the shallow-notched specimen testing procedures described
in Annex E may be used by agreement between the parties involved.
Owing to the lower crack tip constraint associated with a shallow notch, the fracture toughness value
determined from a shallow-notched specimen (0,10 ≤ a /W ≤ 0,45) may be higher than that obtained from
o
a standard notched specimen (0,45 ≤ a /W ≤ 0,70) for the same crack tip microstructure. The significance
o
of this potential difference shall be considered when a shallow-notched specimen is to be used.
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests
When the target area is SM in the HAZ, microstructural examinations additional to those in 7.1 shall
be conducted on the polished and etched macrosection to determine whether or not the target
microstructure is within the central 75 % of the thickness and in sufficient quantity for a successful test.
The measured positions and lengths of the target microstructure may optionally be presented in map
form (an example is shown in Annex B). If such a map is drawn, it shall include the full macrosection
thickness, showing the positions of the target microstructure. The percentage of target microstructure
shall
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15653
Deuxième édition
2018-01
Matériaux métalliques — Méthode
d'essai pour la détermination de la
ténacité quasi statique à la rupture
des soudures
Metallic materials — Method of test for the determination of
quasistatic fracture toughness of welds
Numéro de référence
ISO 15653:2018(F)
©
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2018
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en oeuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et unités (et abréviations) . 3
5 Principe . 4
6 Choix du type d'éprouvette, de l’orientation et de l’emplacement d’entaille .4
6.1 Classification de la surface cible pour l’entaillage . 4
6.2 Type d’éprouvette. 4
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure . 5
7 Métallographie avant usinage . 9
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques . 9
7.2 Exigences supplémentaires concernant les essais en zone affectée thermiquement .10
8 Usinage .10
8.1 Tolérances relatives aux dimensions de l’éprouvette .10
8.2 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées dans l’épaisseur .11
8.3 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées en surface .11
8.4 Usinage de l'entaille .11
9 Préparation de l’éprouvette .16
9.1 Préfissuration par fatigue .16
9.2 Rainurage latéral .17
10 Appareillage d'essai, exigences et mode opératoire d’essai .17
11 Examen métallographique après essai .17
11.1 Généralités .17
11.2 Éprouvettes entaillées dans l’épaisseur .17
11.2.1 Coupe .17
11.2.2 Caractérisation .17
11.3 Éprouvettes entaillées en surface .18
11.3.1 Coupe .18
11.3.2 Caractérisation .18
11.4 Caractérisation des pop-ins .18
12 Analyse après essai .21
12.1 Choix des propriétés de traction .21
12.2 Détermination de la ténacité à la rupture.22
12.2.1 K .
Ic 22
12.2.2 δ . 22
12.2.3 J . 23
12.2.4 Éprouvettes de flexion entaillées peu profondément .23
12.3 Exigences de qualification .24
12.3.1 Généralités .24
12.3.2 Rapport de la largeur de soudure au ligament de la fissure .24
12.3.3 Rectitude du front de fissure .24
12.3.4 Symboles utilisés pour identifier les valeurs de ténacité à la rupture .26
12.3.5 Éprouvettes entaillées dans l’épaisseur.26
12.3.6 Éprouvettes entaillées en surface .26
13 Rapport d'essai .27
Annexe A (informative) Exemple d'emplacements de l'entaille .28
Annexe B (informative) Exemples d’examens métallographiques avant essai et après essai .30
© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
Annexe C (informative) Modification des contraintes résiduelles et technique de préfissuration .32
Annexe D (normative) Caractérisation des pop-ins.36
Annexe E (informative) Essais sur éprouvette à entaille peu profonde .42
Bibliographie .45
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/avant-propos.
Ce document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,
sous comité SC 4, Essais de ténacité — Essais de ténacité — Fracture (F), Pendulum (P), Déchirage (T).
Cette deuxième édition annule et remplace la première (ISO 15653:2010), qui a fait l'objet d'une révision
technique.
Les principales modifications par rapport à la précédente édition sont les suivantes:
— Nouvelle formule pour le calcul de la détermination en seul point du CTOD (12.2.2) a été ajoutée
— L’introduction pour la flexion inversée en C.3 a été ajoutée
— L’évaluation du pop-in en D.1 a été clarifiée
— Nouvelle formule pour le calcul de la détermination en seul point du CTOD dans les éprouvettes à
entaille peu profonde en E.4 a été ajoutée
© ISO 2018 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 15653:2018(F)
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la
détermination de la ténacité quasi statique à la rupture
des soudures
1 Domaine d'application
Ce document spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en termes
de facteur d'intensité de contrainte (K), d’écartement à fond de fissure, CTOD (δ) et d’équivalent
expérimental de l'intégrale pour les soudures dans les matériaux métalliques (J).
Ce document complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à la rupture du
métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. Ce document décrit
des méthodes de détermination des valeurs ponctuelles de la ténacité à la rupture. Elle ne doit pas
être considérée comme étant une méthode permettant d'obtenir une courbe R valide (résistance à
la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites dans la
présente Norme internationale peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes
R pour les soudures. La présente méthode utilise des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été
entaillées, après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites
pour évaluer l'adaptabilité d'une soudure à l’emplacement des entailles dans la surface cible qui se
trouve soit dans la zone fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas
de besoin, pour évaluer l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de la traversée de ces surfaces.
2 Références normatives
Les documents suivants, sont référencés de telle façon dans le texte que leur contenu en partie ou en
totalité constitue des exigences pour le 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 12135:2016, Matériaux métalliques — Méthode unifiée d’essai pour la détermination de la ténacité
quasi statique
3 Termes et définitions
Pour les besoins de ce document, les termes et définitions données dans l’ISO 12135 ainsi que les
suivants s'appliquent.
L’ISO et le CEI maintiennent des bases de données terminologiques pour l’utilisation en normalisation
disponibles aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https://www.iso.org/obp
3.1
largeur de la zone d’émoussement
LZE
augmentation de la longueur de fissure associée à l'émoussement à l’extrémité de la fissure; c’est-à-dire,
avant le début de la propagation instable de fissure, de pop-in (3.3) ou de la propagation lente de fissure,
et survenant dans le même plan que la fissure de fatigue
© ISO 2018 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
3.2
surface cible
position prévue de l’extrémité de la fissure de fatigue dans la zone fondue (3.7)ou la ZAT (3.9)
3.3
pop-in
discontinuité brutale dans l'enregistrement de la force en fonction du déplacement, caractérisée par une
augmentation soudaine du déplacement accompagnée généralement par une diminution soudaine de la
force, après quoi le déplacement et la force croissent de nouveau au-delà de leurs valeurs respectives au
début de la discontinuité
3.4
compression locale
compression contrôlée appliqué aux éprouvettes dans le sens de l'épaisseur sur le ligament non entaillé
avant la fissuration par fatigue en utilisant des plateaux en acier trempé,
Note 1 à l'article: voir Annexe C
3.5
soudage
opération au cours de laquelle au moins deux pièces sont unifiées par chaleur, frottement, pression ou
les trois, de façon à ce que la nature du métal entre ces pièces soit continue
Note 1 à l'article: à l’article On peut utiliser du métal d’apport dont la température de fusion est du même ordre de
grandeur que celle du métal de base.
3.6
soudure
union de pièces de métal par soudage (3.5)
3.7
zone fondue
totalité du métal fondu pendant la fabrication d’une soudure (3.6) et retenu dans la soudure
3.8
métal de base
métal à assembler par soudage (3.5)
3.9
zone affectée thermiquement
ZAT
zone du métal de base dont la structure métallurgique est affectée par la chaleur du soudage (3.5)
3.10
ligne de fusion
LF
jonction entre la zone fondue (3.7) et la zone affectée thermiquement du métal de base (3.8)
3.11
position de la soudure
S
position cible pour l’extrémité de la fissure de fatigue définie par rapport à une ligne de référence
Note 1 à l'article: voir Figure A.1 pour les exemples
3.12
microstructure spécifique
MS
microstructure cible pour l’extrémité de la fissure de fatigue
Note 1 à l'article: voir Figure A.2 pour les exemples
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
3.13
ébauche d’éprouvette
éprouvette préparée à partir de zone fondue (3.7) et de métal de base (3.8) avant entaillage
3.14
traitement thermique après soudage
traitement thermique appliqué après soudage (3.5) afin de réduire les contraintes résiduelles ou de
modifier les propriétés de la soudure (3.6)
4 Symboles et unités (et abréviations)
Pour les besoins du présent document, les symboles et les unités donnés dans le Tableau 1 s'appliquent
en plus de ceux de l'ISO 12135.
Tableau 1 — Symboles, unités
Symbole Unité Désignation
d , d mm Longueurs des caractéristiques microstructurales associées au pop-in.
1 2
h mm Largeur de soudure efficace, définie comme étant la distance la plus courte entre
l’extrémité de la fissure de fatigue et la ligne de fusion de la soudure dans les 75 %
centraux de l'épaisseur, (voir Figures 13 et 14).
HV10 Dureté Vickers utilisant une force de 10 kg.
N Dans le plan normal à la direction de soudage.
P Dans le plan parallèle à la direction de soudage.
Q Direction suivant l’épaisseur de la soudure.
R MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % du métal de base à la température de
p0,2b
l’essai de rupture.
R MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % de la zone fondue à la température de
p0,2w
l’essai de rupture.
R MPa Résistance à la traction du métal de base à la température de l’essai de rupture.
mb
R MPa Résistance à la traction de la zone fondue à la température de l’essai de rupture.
mw
s mm Distance entre l’extrémité de la fissure et la surface cible mesurée dans le plan de
1
fissure, (voir Figure 12).
s mm Distance entre l’extrémité de la fissure et la surface cible mesurée perpendiculaire-
2
ment au plan de fissure, (voir Figure 12).
V mm Écartement à fond de fissure au bord d’entaille pour les éprouvettes de flexion et à la
ligne de charge pour les éprouvettes compactes.
V mm Déplacement mesuré par extensomètre monté sur les bords de couteau.
g
V mm Déplacement mesuré par l’arrangement d’extensomètre double décrit en E.3 et illus-
g1
tré à la Figure E.1.
V mm Déplacement mesuré par l’arrangement d’extensomètre double décrit en E.3 et illus-
g2
tré à la Figure E.1.
X Direction parallèle au fibrage principal du métal de base.
Y Direction transversale au fibrage principal du métal de base.
Z Direction à travers l’épaisseur du métal de base.
Δa mm Longueur maximale de la propagation de fissure fragile (au-delà de la LZE, voir 3.1)
pop
associée au pop-in.
λ mm Longueur de la microstructure spécifique mesurée lors de la métallographie avant
ou après l’essai, (voir Figure B.2).
© ISO 2018 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
5 Principe
Ce document spécifie des modes opératoires permettant de déterminer la ténacité à la rupture sur des
éprouvettes entaillées et préfissurées par fatigue prélevées dans des soudures. Elle s’applique dans les
cas où l’extrémité de la fissure est:
a) située par rapport à une caractéristique de soudure d’intérêt, appelée «position de la soudure» (S); et
b) spécifiquement située dans une microstructure d’intérêt, appelée «microstructure spécifique» (MS).
L’examen métallographique de la soudure est utilisé pour confirmer que la caractéristique de soudure
cible et/ou la microstructure est bien présente au niveau de l’extrémité de la fissure et en quantité
suffisante pour l’essai.
La géométrie et l’orientation de l’entaille de l’éprouvette sont choisies et une fissure de fatigue est
ensuite propagée depuis l’extrémité de l’entaille de l’éprouvette dans la caractéristique de soudure
cible ou la microstructure en appliquant une force alternative contrôlée sur l’éprouvette. L’objectif de
l’essai est de déterminer la ténacité à la rupture de la soudure en l’absence de contraintes de soudage
significatives. Pour obtenir un matériau sans contrainte et pour produire une fissure de fatigue à
front droit, des modifications peuvent être apportées à la méthode de préfissuration par fatigue. Ces
modifications sont généralement nécessaires lorsque des soudures brutes de soudage ou dont les
contraintes résiduelles sont partiellement relaxées sont caractérisées.
L’essai de ténacité à la rupture est réalisé et caractérisé conformément à l’ISO 12135, mais est soumis
aux exigences supplémentaires de la présente méthode d’essai concernant l’analyse (12.2.1, 12.2.2
et 12.2.3) et la qualification (12.3) après essai.
Un examen métallographique après essai est souvent nécessaire pour vérifier que l’extrémité de
la fissure se situait dans la zone et/ou la microstructure cible de la soudure et pour déterminer
l’importance des pop-ins.
L’ordre des opérations est résumé à la Figure 1.
6 Choix du type d'éprouvette, de l’orientation et de l’emplacement d’entaille
6.1 Classification de la surface cible pour l’entaillage
Une éprouvette sélectionnée pour l’essai de la soudure (S) est destinée à tester une région de soudure
définie par rapport à une position de référence (par exemple, l'axe de la zone fondue).
Une éprouvette sélectionnée pour l’essai de la microstructure spécifique (MS) est destinée à
échantillonner une microstructure spécifiée sur tout ou partie de la longueur du front de fissure dans
les 75 % centraux de l’épaisseur de l’éprouvette.
NOTE Des exemples d’emplacements d'entaille S et MS sont donnés dans l’Annexe A.
Les emplacements d'entaille sur l'axe de la zone fondue S échantillonnant en majorité les régions
affinées peuvent donner des valeurs erronées (trop élevées) de ténacité à la rupture pour les soudures
en deux passes désalignées et multi-passes parallèles. Pour ces soudures, il est recommandé d’utiliser
les emplacements d’entaille SM décrits aux Figures A.2 d) et e), respectivement.
6.2 Type d’éprouvette
L’éprouvette doit être une éprouvette de flexion trois points ou compacte, comme il est défini dans
l’ISO 12135 et peut avoir des côtés lisses ou comporter des rainures latérales. Les éprouvettes de flexion
entaillées dans l’épaisseur de la tôle (voir Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XY et YX, et
éprouvettes de zone fondue NP et PN) sont appelées éprouvettes entaillées dans l’épaisseur, tandis que
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
celles entaillées dans la surface plane de la tôle (Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XZ et YZ,
et éprouvettes de zone fondue NQ et PQ) sont appelées éprouvettes entaillées en surface.
NOTE Les tolérances relatives aux dimensions de l’éprouvette de soudure sont moins strictes que celles
relatives à l'essai du métal de base, (voir 8.1).
Les éprouvettes doivent avoir une dimension B ou W (voir Figure 5) égale à l’épaisseur totale du métal
de base adjacent à la soudure à caractériser (à l’exclusion du bourrelet du cordon de soudure).
L’essai d’éprouvettes de section réduite (c’est-à-dire, B ou W < épaisseur totale dans les directions Q pour
la soudure et Z pour le métal de base dans les Figures 2, 3 et 4) et/ou à rainures latérales est autorisé,
mais doit être clairement identifié en tant que tel dans le rapport d’essai. Les résultats des éprouvettes
à section réduite et/ou à rainures latérales peuvent être différents de ceux des éprouvettes d’épaisseur
totale en raison des effets de taille et/ou des différentes régions microstructurales caractérisées.
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure
L’orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure par rapport aux directions de travail de la zone fondue
et du métal de base doit être définie à l’aide du système d’identification décrit dans les Figures 2, 3 et 4.
© ISO 2018 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
Figure 1 — Logigramme des essais
6 © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
1
X
YZ
Y
YX
XZ
XY
a) métal de base
PQ
P
PN
N NQ
NP
b) zone fondue
Légende
1 sens de laminage
N dans le plan normal à la direction de soudage
P dans le plan parallèle à la direction de soudage
Q direction suivant l'épaisseur de la soudure
NOTE 1 Première lettre: direction normale au plan de la fissure.
NOTE 2 Deuxième lettre: direction prévue de la propagation de la fissure.
NOTE 3 Voir l'ISO 3785 pour la définition de X, Y et Z.
Figure 2 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les éprouvettes de ténacité à la
rupture du métal de base et de la zone fondue
Comme indiqué à la Figure 2, les orientations des éprouvettes NP et PN sont dites entaillées dans
l'épaisseur, tandis que les orientations des éprouvettes NQ et PQ sont dites entaillées en surface.
© ISO 2018 – Tous droits réservés 7
Q
Z
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
12
12
Y
X
Y
X
3 4
a) joint normal bout-à-bout de raboutage
Z
5
b) assemblage en croix
Légende
1 ZAT
2 soudure
3 orientation de l'éprouvette de soudure NP/XY
4 orientation de l'éprouvette de soudure NP/YX
5 fissure traversante NP/ZX ou NP/ZY
X direction de laminage, X
Q direction de l’épaisseur de soudure
NOTE Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance
à la propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme il est indiqué dans cette
Figure et à la Figure 4).
Figure 3 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les essais en zone thermiquement
affectée pour les éprouvettes de ténacité pour un joint normal bout-à-bout de raboutage et pour
un assemblage en croix
8 © ISO 2018 – Tous droits réservés
Q
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 15653:2018(F)
1
NP/X
a) joint normal bout-à-bout de raboutage
NQ/X
NQ/Y
Y
b) assemblage en croix coudé
Légende
1 direction de laminage, X
NOTE Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance
à la propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme il est indiqué dans cette
Figure et à la Figure 3).
Figure 4 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les essais en zone affectée
thermiquement à un angle, α, du sens de laminage du métal de base pour les éprouvettes de
ténacité de joint normal bout-à-bout de raboutage et de l'assemblage en croix coudé
7 Métallographie avant usinage
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques
Lorsque la surface cible de l’entaille est définie comme étant MS, soit les sections macrographiques
séparées soit les extrémités des soudures doivent être préparées de telle façon que le plan de la
section soit perpendiculaire à la direction de soudage. Ces sections de soudure transversales doivent
correspondre à la longueur de soudure à tester pour garantir la présence de la microstructure cible
au niveau de la position prévue de l’extrémité de la fissure et en quantité suffisante pour l'essai. Les
sections macrographiques doivent être polies, attaquées et examinées à un grossissement permettant
d’identifier la surface cible avant de fabriquer une éprouvette. Si des sections macrographiques séparées
sont préparées, leur posit
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.