Corrosion of metals and alloys — Test method for high-temperature corrosion testing of metallic materials by thermogravimetry under isothermal or cyclic conditions

This document specifies the thermogravimetric method (continuous measurement) for isothermal and cyclic exposure of metals and metallic alloys at high temperature under corrosive conditions.

Corrosion des métaux et alliages — Méthode d’essai de corrosion à haute température des matériaux métalliques par thermogravimétrie en conditions isothermes ou cycliques

Le présent document prescrit la méthode thermogravimétrique (mesurage continu) appliquée à des expositions isotherme ou cyclique des métaux et alliages métalliques à haute température dans des conditions corrosives.

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Status
Published
Publication Date
12-Sep-2022
Current Stage
6060 - International Standard published
Due Date
23-Jan-2023
Completion Date
13-Sep-2022
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ISO 4215:2022 - Corrosion of metals and alloys — Test method for high-temperature corrosion testing of metallic materials by thermogravimetry under isothermal or cyclic conditions Released:13. 09. 2022
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ISO 4215:2022 - Corrosion of metals and alloys — Test method for high-temperature corrosion testing of metallic materials by thermogravimetry under isothermal or cyclic conditions Released:13. 09. 2022
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 4215
First edition
2022-09
Corrosion of metals and alloys —
Test method for high-temperature
corrosion testing of metallic
materials by thermogravimetry under
isothermal or cyclic conditions
Corrosion des métaux et alliages — Méthode d’essai de corrosion à
haute température des matériaux métalliques par thermogravimétrie
en conditions isothermes ou cycliques
Reference number
ISO 4215:2022(E)
© ISO 2022
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ISO 4215:2022(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
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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.
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Published in Switzerland
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ISO 4215:2022(E)
Contents Page

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

Introduction .................................................................................................................................................................................................................................v

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

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

3 Terms and definitions .................................................................................................................................................................................... 1

4 Test method ............................................................................................................................................................................................................... 2

4.1 Principle ....................................................................................................................................................................................................... 2

4.2 Test pieces ................................................................................................................................................................................................... 3

5 Test apparatus ........................................................................................................................................................................................................5

5.1 Thermobalance ...................................................................................................................................................................................... 5

5.2 Furnace ........................................................................................................................................... ............................................................... 6

5.3 Temperature probe ............................................................................................................................................................................. 6

5.4 Data acquisition device ................................................................................................................................................................... 7

5.5 Test piece holder ................................................................................................................................................................................... 7

5.6 Reactive gas and gas flow ............................................................................................................................................................. 7

5.7 Protection of the thermobalance ........................................................................................................................................... 7

6 Calibration ..................................................................................................................................................................................................................8

6.1 Mass calibration .................................................................................................................................................................................... 8

6.2 Thermocouple calibration ............................................................................................................................................................ 8

7 Procedure ....................................................................................................................................................................................................................8

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 8

7.2 Isothermal test ....................................................................................................................................................................................... 8

7.3 Cyclic test ..................................................................................................................................................................................................... 9

8 Expression of results — Graphical presentation ............................................................................................................... 9

9 Analysis of the mass change ....................................................................................................................................................................9

9.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 9

9.2 Isothermal exposure ......................................................................................................................................................................... 9

9.3 Thermal cycling exposure ......................................................................................................................................................... 10

10 Test report ...............................................................................................................................................................................................................11

10.1 Test report contents ........................................................................................................................................................................ 11

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................13

iii
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ISO 4215:2022(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 of 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

www.iso.org/iso/foreword.html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 156, Corrosion of metal and alloys.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
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ISO 4215:2022(E)
Introduction

Oxidation and corrosion tests at high temperature on metallic materials are often performed according

[6] [5]

to the isothermal or to the cyclic exposure methods specified in ISO 21608 and ISO 13573

respectively. These methods rely on measuring the mass change at the end of the exposure. An

alternative approach is to employ a thermogravimetric method which enables a continuous monitoring

and recording of mass as a function of time under isothermal or cyclic operation.

Under isothermal exposure the thermogravimetric analysis allows the measurement of mass gain

due to oxidation or corrosion and of mass loss due to volatilization. The corresponding kinetics can be

assessed thereby distinguishing between mass gain due to oxidation or mass loss due to volatilization.

Moreover, it allows the detection of a mass change due to the loss of a part of the oxide scale during the

high temperature dwell or during cooling. Re-oxidations subsequent to the formation of cracks in the

oxide scale can also be detected.

Under thermal cycling conditions the mass change of the sample can be measured as well. The

corresponding kinetics can be assessed thereby distinguishing between mass gain due to oxidation and

mass loss due to spalling. The occurrence of breakaway oxidation can be also precisely identified and

the test is fully automated without the need to take the samples out of the corrosive atmosphere for

mass measurements.
The main areas of application are the following:

— the test method describes the general conditions of analysis for materials such as pure metals and

metallic alloys using thermogravimetric techniques;

— the thermogravimetric test can be used in the isothermal mode (mass variation versus time at a

given temperature) or in the cyclic mode (mass variation versus time according to defined thermal

cycles).
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 4215:2022(E)
Corrosion of metals and alloys — Test method for high-
temperature corrosion testing of metallic materials by
thermogravimetry under isothermal or cyclic conditions
1 Scope

This document specifies the thermogravimetric method (continuous measurement) for isothermal and

cyclic exposure of metals and metallic alloys at high temperature under corrosive conditions.

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.

ASTM E3-01,Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens

ASTM E220-02, Standard Test Method For Calibration Of Thermocouples By Comparison Techniques

ASTM E230-03, Standard Specification and Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for

Standardized Thermocouples
ASTM E407-07e1, Standard Practice for Microetching Metals and Alloys

ASTM E1350-97,Standard Test Methods for Testing Sheathed Thermocouples Prior to, During, and After

Installation
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
thermogravimetry

technique in which the mass of a test piece (3.4) is measured with respect to temperature or time, the

test piece being heated according to a given temperature program
3.2
thermogravimetry curve
TG curve

curve obtained by plotting the mass of the test piece divided by its surface area as the ordinate (Y axis)

and the elapsed time t as the abscissa (X axis)
Note 1 to entry: See Figure 1.
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ISO 4215:2022(E)
Key
t time
Δm/S mass change by surface area
n number of cycles
1 net mass gain
2 net mass loss

Figure 1 — Two examples of TG curve with a net mass gain or a net mass loss after an initial

mass gain (NMC versus time or versus number of cycles)
3.3
sample

small part or fraction of a material coming from a series of products, designed to represent the whole

amount
3.4
test piece
full product or unique fraction, taken from the sample and used for the test
3.5
buoyancy effect

apparent variation of the sample mass, related to the pressure effect on its volume in a given atmosphere

4 Test method
4.1 Principle

The test piece is heated at a constant and controlled heating rate (at least 60 °C/min, deviations from

this and the reasons shall be reported in the test report) up to an elevated temperature T in a

controlled gaseous environment (inert, reducing, oxidative, or corrosive -dry or humid- atmosphere).

If the reaction between the test piece and the atmosphere can be fully prevented during the heating

(oxidation of pure metals with low stability oxides such as Cu, Ni, or Co), it is possible to use an inert gas

during heating prior to the introduction of the reacting gas when the temperature T is reached. In all

other cases, the atmosphere is established before the heating of the sample.

For an isothermal test, the temperature T is maintained constant during the test duration (see

Figure 2).
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ISO 4215:2022(E)

In cyclic mode the temperature is first increased to a temperature T at a constant heating rate. T

LT LT

is maintained constant during a time to be defined (cold dwell). The temperature is then increased at

a given heating rate (≥60 °C/min, deviations from this and the reasons shall be reported in the test

report) to the temperature T and maintained constant during a time to be defined (hot dwell). The

final stage is a cooling from T to T with a controlled initial cooling rate at least equal to 60 °C/min.

HT LT

The temperature cycle can be repeated a number of times to be defined (see Figure 2).

Key
t time
Δm/S mass change by surface area
T temperature
1 isothermal mode
2 cyclic mode
3 hot dwells
4 cold dwells

Figure 2 — Temperature and net mass change as a function of time during a thermogravimetric

test in isothermal or cyclic mode

At the end of either procedure the test piece is cooled down to room temperature and the mass variation

of the test piece is measured versus time t during the duration of the test and recorded as a TG curve.

4.2 Test pieces

The test pieces are in solid form and may be of different geometries: sheets, films, rectangular cuboid,

cylinders and discs. The dimensions of the test piece shall be restricted to a value less than the diameter

of the furnace used for the test, thus avoiding contact with the walls of the furnace.

The test pieces shall be finished by machining so that the strata affected by cutting do not remain.

The final finishing of the surface of the test pieces shall be performed with abrasives with mean particle

diameter of approximately 15 µm. This can be achieved by the use of abrasives according to Table 1.

If another surface finish is required by the parties involved, the surface finish condition shall be

described.
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ISO 4215:2022(E)

Table 1 — Designation and mean diameter of particles of coated abrasives according to regional

standards
Standard Designation Mean diameter Region
[9]
FEPA 43-1984 R:1993
P1200 15,3 ± 1,0 Europe
[2]
ISO 6344-3
[7]
JIS R6001-87 #1000 15,5 ± 1,0 Japan
[8]
ANSI B74.12-92 600 16,0 America

Sharp edges of test pieces can give anomalous behaviour. These shall be slightly rounded during the

final stages of test piece preparation.

The surface of the test pieces shall not be deformed by marking, stamping or notching. However, holes

for either test piece support or reference marking, or both, are permissible.

Where holes are used for test piece support they shall be drilled prior to final finishing or application of

coatings. These must be taken into account when calculating the surface area.

The dimensions of the test pieces shall be measured prior to exposure at a minimum of three positions

for each dimension with a precision of ±0,02 mm by means of the measuring instruments specified in

[1] [4]
ISO 3611 and ISO 13385-1 .

The test pieces shall be dried after degreasing by ultrasonic cleaning using isopropanol or ethanol.

If it is suspected that specimens may adsorb significant amounts of atmospheric contaminants such as

water, it is recommended that the cleaned test pieces are stored in a desiccator prior to weighing and

exposure.

A hole is machined in the top part of the test piece to allow it to be suspended from the balance (see

Figure 3). Platinum wire, quartz rod or an intermediary alumina piece shall be used to suspend the test

piece. When it is not possible to machine a hole in the test piece (e.g. coated test piece), a cradle shall be

used to hang the test piece (see Figure 3). If a holder is used, it shall be adapted to the shape and the size

of the test piece. It shall not limit the access of the reactive gas to the sample or prevent spalled parts of

the sample from falling down.
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ISO 4215:2022(E)

a) Using a hole drilled b) Using a hole drilled c) Using a hole drilled d) Using a platinum/

in the specimen in the sample and a in the sample and an alumina cradle
and a Pt wire to hold platinum/alumina sam- alumina sample holder
the specimen ple holder
Key
S sample
DH/Pt drilled hole and platinum hanging wire
Pt/Al O platinum/alumina hanging system
2 3
DH/Al O drilled hole and alumina hanging road
2 3
C (Pt/Al O ) cradle of platinum wire and alumina
2 3
Figure 3 — Test pieces hung to the balance

The vaporization of Pt as a volatile oxide can be significant at temperatures higher than 1 100 °C in

oxygen-rich atmospheres. In this case alumina shall be preferred to platinum. Moreover, depending on

the specimen materials, the reaction with Pt (e.g. eutectic formation) or Si has to be carefully addressed

before thermogravimetry test.
5 Test apparatus
5.1 Thermobalance

The thermobalance shall be able to measure the mass variation with an accuracy equal to 0,1 % of

the final total mass variation. For every condition of temperature and gas flow, a blank test shal

...

NORME ISO
INTERNATIONALE 4215
Première édition
2022-09
Corrosion des métaux et alliages —
Méthode d’essai de corrosion à
haute température des matériaux
métalliques par thermogravimétrie en
conditions isothermes ou cycliques
Corrosion of metals and alloys — Test method for high-temperature
corrosion testing of metallic materials by thermogravimetry under
isothermal or cyclic conditions
Numéro de référence
ISO 4215:2022(F)
© ISO 2022
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ISO 4215:2022(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, 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
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
© ISO 2022 – Tous droits réservés
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ISO 4215:2022(F)
Sommaire Page

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

Introduction .................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

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

3 Termes et définitions ...................................................................................................................................................................................... 1

4 Méthode d’essai ..................................................................................................................................................................................................... 2

4.1 Principe ......................................................................................................................................................................................................... 2

4.2 Éprouvettes ............................................................................................................................................................................................... 3

5 Appareillage d’essai .......................................................................................................................................................................................... 5

5.1 Thermobalance ...................................................................................................................................................................................... 5

5.2 Four ................................................................................................................................................................................................................... 6

5.3 Instrument de mesurage de la température ................................................................................................................ 6

5.4 Dispositif d’acquisition de données...................................................................................................................................... 7

5.5 Support de l’éprouvette................................................................................................................................................................... 7

5.6 Gaz réactif et débit de gaz ............................................................................................................................................................. 7

5.7 Protection de la thermobalance .............................................................................................................................................. 8

6 Étalonnage .................................................................................................................................................................................................................. 8

6.1 Étalonnage du pesage ....................................................................................................................................................................... 8

6.2 Étalonnage des thermocouples ................................................................................................................................................ 8

7 Mode opératoire ................................................................................................................................................................................................... 8

7.1 Généralités ................................................................................................................................................................................................. 8

7.2 Essai isotherme ...................................................................................................................................................................................... 8

7.3 Essai cyclique ........................................................................................................................................................................................... 9

8 Expression des résultats — Représentation graphique ............................................................................................ 9

9 Analyse de la variation de masse .......................................................................................................................................................9

9.1 Généralités ................................................................................................................................................................................................. 9

9.2 Exposition isotherme........................................................................................................................................................................ 9

9.3 Exposition à des cycles de températures ..................................................................................................................... 10

10 Rapport d’essai ...................................................................................................................................................................................................11

10.1 Contenu du rapport d’essai ....................................................................................................................................................... 11

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................13

iii
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---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 4215:2022(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/iso/fr/avant-propos.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 156, Corrosion des métaux et alliages.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www.iso.org/members.html.
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---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 4215:2022(F)
Introduction

Les essais d’oxydation et de corrosion à haute température sur les matériaux métalliques sont souvent

[6]

réalisés suivant les protocoles d’exposition isotherme ou cyclique spécifiés dans l’ISO 21608 et

[5]

l’ISO 13573 , respectivement. Ces méthodes reposent sur le mesurage de la variation de masse à la

fin de l’exposition. Il est aussi possible d’utiliser une méthode thermogravimétrique permettant une

mesure et un enregistrement continus de la masse en fonction du temps sous conditions isothermes ou

cycliques.

Lors d’une exposition isotherme, l’analyse thermogravimétrique permet de mesurer le gain de masse

dû à l’oxydation ou à la corrosion, ainsi que la perte de masse due à la volatilisation. La cinétique

correspondante peut être évaluée, ce qui permet de distinguer le gain de masse dû à l’oxydation de la

perte de masse due à la volatilisation. De plus, elle permet de détecter toute variation de masse soudaine

due à un écaillage de la couche d’oxyde lors du maintien à haute température ou lors du refroidissement.

Les reprises d’oxydation consécutives à la formation de fissures de la couche d’oxyde peuvent aussi être

détectées.

Lors d’une exposition à des cycles de températures, la variation de masse de l’échantillon peut aussi

être mesurée. La cinétique correspondante peut être évaluée; ce qui permet de distinguer le gain de

masse dû à l’oxydation de la perte de masse due à l’écaillage. L’apparition d’une oxydation de type

«breakaway» peut aussi être identifiée précisément. L’essai est entièrement automatisé et ne nécessite

pas de retirer les échantillons de l’atmosphère corrosive afin d’en mesurer la masse.

Les principaux domaines d’application sont les suivants:

— la méthode d’essai décrit les conditions générales d’analyse de matériaux tels que les métaux purs et

les alliages métalliques selon des techniques thermogravimétriques;

— l’essai thermogravimétrique peut être utilisé en mode isotherme (variation de la masse en fonction

du temps à une température donnée) ou en mode cyclique (variation de la masse en fonction du

temps sous des cycles de températures définis).
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NORME INTERNATIONALE ISO 4215:2022(F)
Corrosion des métaux et alliages — Méthode d’essai de
corrosion à haute température des matériaux métalliques
par thermogravimétrie en conditions isothermes ou
cycliques
1 Domaine d’application

Le présent document prescrit la méthode thermogravimétrique (mesurage continu) appliquée à des

expositions isotherme ou cyclique des métaux et alliages métalliques à haute température dans des

conditions corrosives.
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).
ASTM E3-01, Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens

ASTM E220-02, Standard Test Method For Calibration Of Thermocouples By Comparison Techniques

ASTM E230-03, Standard Specification and Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for

Standardized Thermocouples
ASTM E407-07e1, Standard Practice for Microetching Metals and Alloys

ASTM E1350-97, Standard Test Methods for Testing Sheathed Thermocouples Prior to, During, and After

Installation
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:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
thermogravimétrie

technique selon laquelle la masse d’une éprouvette (3.4) est mesurée en fonction de la température ou

du temps, l’éprouvette étant chauffée suivant un programme de température donné
3.2
courbe de thermogravimétrie
courbe TG

courbe obtenue en plaçant des points correspondant à la masse de l’éprouvette divisée par l’aire de sa

surface comme ordonnée (axe Y) en fonction du temps écoulé t comme abscisse (axe X)

Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
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ISO 4215:2022(F)
Légende
t temps
Δm/S variation de masse par unité d’aire de surface
n nombre de cycles
1 gain de masse net
2 perte de masse nette

Figure 1 — Deux exemples de courbe TG avec un gain de masse net ou une perte de masse nette

après un gain initial (variation de masse en fonction du temps ou du nombre de cycles)

3.3
échantillon

petite partie ou fraction d’un matériau issue d’une série de produits et censée être représentative de

l’ensemble
3.4
éprouvette

produit intégral ou fraction du produit, issu de l’échantillon et utilisé pour l’essai

3.5
poussée d’Archimède

variation apparente de la masse de l’échantillon, liée à l’action de la pression sur son volume dans une

atmosphère donnée
4 Méthode d’essai
4.1 Principe

L’éprouvette est chauffée à une vitesse constante et maîtrisée (au moins 60 °C/min – tout écart

par rapport à cette valeur et sa raison doivent être consignés dans le rapport d’essai) jusqu’à une

température élevée T dans un environnement gazeux contrôlé (atmosphère – sèche ou humide –

inerte, réductrice, oxydante ou corrosive). Si la réaction entre l’éprouvette et l’atmosphère peut être

intégralement empêchée lors du chauffage (oxydation des métaux purs à oxydes peu stables – comme

le cuivre, le nickel ou le cobalt), un gaz inerte peut être utilisé lors du chauffage, avant l’introduction du

gaz réactif lorsque la température T est atteinte. Dans tous les autres cas, l’atmosphère est établie

avant le chauffage de l’éprouvette.
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Pour un essai isotherme, la température d’essai T est maintenue constante tout au long de l’essai

(voir Figure 2).

Pour un essai cyclique, la température est d’abord élevée à une valeur T à une vitesse de chauffage

constante. T est alors maintenue constante pendant une durée à définir (maintien à froid). La

température est ensuite augmentée à une vitesse donnée (≥ 60 °C/min – tout écart par rapport à cette

valeur et sa raison doivent être consignés dans le rapport d’essai) jusqu’à la valeur T , à laquelle

elle est maintenue constante pendant une durée à définir (maintien à chaud). La phase finale est

un refroidissement de T à T à une vitesse initiale maîtrisée d’au moins 60 °C/min. Ce cycle de

HT LT
températures peut être répété un nombre de fois à définir (voir Figure 2).
Légende
t temps
Δm/S variation de masse par unité d’aire de la surface
T température
1 mode isotherme
2 mode cyclique
3 maintien à chaud
4 maintien à froid

Figure 2 — Température et variation de masse nette en fonction du temps lors d’un essai

thermogravimétrique en mode isotherme ou cyclique

À la fin de chacune de ces procédures, l’éprouvette est refroidie à température ambiante et la variation

de sa masse est mesurée en fonction du temps t au cours de l’essai pour produire une courbe TG.

4.2 Éprouvettes

Les éprouvettes sont solides et peuvent avoir différentes formes géométriques: plaques, films,

parallélépipèdes, cylindres et disques. Leurs dimensions doivent être inférieures au diamètre du four

utilisé lors de l’essai; de sorte qu’elles n’en touchent pas les parois.

Les éprouvettes doivent subir une finition par polissage de sorte que les zones affectées par la découpe

soient éliminées.
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La finition finale de la surface des éprouvettes doit être effectuée à l’aide de matériaux abrasifs

présentant un diamètre moyen des particules d’approximativement 15 µm. Cela peut être obtenu grâce

à l’utilisation d’abrasifs conformes au Tableau 1.

Si une autre finition de surface est requise par les parties impliquées, l’état de la finition de surface

exigé doit être décrit.

Tableau 1 — Désignation et diamètre moyen des particules d’abrasifs enduits conformes aux

normes régionales
Norme Désignation Diamètre moyen Région
[9]
FEPA 43-1984 R:1993
P1200 15,3 ± 1,0 Europe
[2]
ISO 6344-3
[7]
JIS R6001-87 #1000 15,5 ± 1,0 Japon
[8]
ANSI B74.12-92 600 16,0 États-Unis

Les arêtes vives des éprouvettes peuvent induire un comportement anormal. Celles-ci doivent être

légèrement arrondies au cours des étapes finales de la préparation des éprouvettes.

La surface des éprouvettes ne doit pas être déformée par marquage, emboutissage ou entaillage. En

revanche, des trous pour le maintien des éprouvettes ou pour les marques pour référence, ou les deux,

sont autorisés.

Si des trous sont utilisés pour le maintien des éprouvettes, ceux-ci doivent être percés avant la finition

finale ou l’application d’un revêtement protecteur. Ils doivent être pris en compte lors du calcul de l'aire

de la surface.

Les dimensions des éprouvettes doivent être mesurées avant exposition en trois positions minimum

pour chaque dimension avec une précision de ± 0,02 mm, à l’aide d’instruments de mesure spécifiés

[1] [4]
dans l’ISO 3611 et l’ISO 13385-1 .

Les éprouvettes doivent être séchées après dégraissage par ultrasons dans de l’isopropanol ou de

l’éthanol.

S’il est suspecté que les éprouvettes puissent adsorber des quantités significatives de contaminants

atmosphériques tels que l’eau, il est recommandé que les éprouvettes nettoyées soient stockées dans un

dessiccateur avant pesée et exposition.

Un trou est percé dans le haut de l’éprouvette pour la suspendre à la balance (voir Figure 3). Un fil de

platine, une tige de quartz ou une pièce intermédiaire en alumine doit être utilisée pour suspendre

l’éprouvette. Lorsqu’il n’est pas possible de percer un trou dans l’éprouvette (par exemple dans le cas

d’une pièce revêtue), l’éprouvette doit être suspendue dans une nacelle (voir Figure 3). Si un support

est utilisé, il doit être adapté à la forme et à la taille de l’éprouvette. Il ne doit pas limiter l’accès du gaz

réactif à l’éprouvette ni empêcher ses parties écaillées de tomber.
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a) au moyen d’un trou b) au moyen d’un trou c) au moyen d’un trou d) au moyen d’une

dans l’éprouvette et dans l’éprouvette et d’un dans l’éprouvette et d’un nacelle en platine/

d’un fil de platine cro- support d’éprouvette en support d’éprouvette en alumine
chetant l’éprouvette platine/alumine alumine
Légende
S échantillon
DH/Pt trou et fil de platine pour la suspension
Pt/Al O système de suspension en platine/alumine
2 3
DH/Al O trou et tige en alumine pour la suspension
2 3
C (Pt/Al O ) nacelle formée par du fil de platine gainé d’ alumine
2 3
Figure 3 — Éprouvettes suspendues à la balance

La volatilisation du platine sous forme d’oxyde volatil peut être significative à des températures

dépassant 1 100 °C dans une atmosphère riche en oxygène. Dans un tel cas, l’alumine doit être préférée

au platine. En outre, en fonction du matériau de l’éprouvette, la possibilité d’une réaction avec le platine

(par exemple formation d’un eutectique) ou le silicium doit être soigneusement considérée avant l’essai

thermogravimétrique.
5 Appareillage d’essai
5.1 Thermobalance

La thermobalance doit être capable de mesurer la variation de masse avec une exactitude de 0,1 % de

la variation totale de masse finale. Un essai à blanc avec un échantillon inerte doit être réalisé pour

chaque combinaison de conditions température-débit gazeux. La dérive résultante de la balance en

conditions isothermes doit être au moins 100 fois inférieure à la vitesse instantanée de gain ou perte de

masse sur la durée de l’essai. Si cela s’avère difficile à réaliser, il convient d’envisager l’utilisation d’une

thermobalance symétrique (avec deux fours symétriques) pour diminuer la dérive de la balance.

Il est recommandé d’installer la thermobalance dans une salle à température maîtrisée. En fonction

de la thermobalance et de l’exactitude exigée pour le mesurage, il peut être nécessaire d’installer

l’instrument sur une table antivibration.

La thermobalance doit permettre un flux constant de gaz autour de l’éprouvette afin de permettre une

interaction homogène avec toute la surface de l’éprouvette dans l’atmosphère gazeuse réactive.

Les problèmes de poussée d’Archimède et de convection dans le flux de gaz peuvent être résolus au

moyen d’une thermobalance symétrique à deux fours identiques (voir Figure 4). Dans ce cas, l’éprouvette

est introduite dans le four de mesurage et une éprouvette de référence aux dimensions identiques –

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mais inerte dans la plage de températures et le gaz donnés – est introduite dans le four de référence. Les

débits de gaz sont réglés pour être égaux dans les deux fours. Avec un tel appareil, comme la poussée

d’Archimède est identique dans les deux fours, la courbe TG ne présente pas de déviation significative.

Légende
1 fléau de la balance
2 four
3 échantillon
4 référence inerte
Figure 4 — Thermobalance à un four (gauche) et thermobalance symétrique
à deux fours (droite)
5.2 Four

Le four doit être capable de réaliser des cycles de chauffage et refroidissement maîtrisés. Avant essai,

le four doit être caractérisé à la température d’exposition afin de déterminer la longueur de la zone

isotherme à l’intérieur du four. Cela peut être réalisé au moyen d’un thermocouple mobile indépendant.

La température doit être maîtrisée de sorte que la température de l’éprouvette soit maintenue dans la

plage autorisée donnée dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Tolérance de température des éprouvettes
800 à 1 000 à
Plage de températures (en °C) ≤ 300 300 à 600 600 à 800 > 1 200
1 000 1 200
Tolérance de température (en °C) ±2 ±3 ±4 ±5 ±7 Selon accord
5.3 Instrument de mesurage de la température

La température doit être mesurée au moyen d’un appareil approprié. Il est préférable d’utiliser

des thermocouples de type K (Ni/Cr – NiAl) jusqu’à 800 °C, de type S (10 %Rh/Pt – Pt) et de type R

(Pt/13 %Rh – Pt) jusqu’à 1 100 °C ou de type B (Pt/30 %Rh – Pt/6 %Rh) pour des températures

supérieures à 1 100 °C. Le thermocouple doit être capable de confirmer la température de l’éprouvette

avec la tolérance indiquée dans le Tableau 2.

Il convient de placer à proximité de la surface de l’éprouvette un thermocouple qui doit être étalonné

conformément au 6.2. Avec les thermobalances du commerce, le thermocouple à utiliser peut être le

thermocouple de température témoin ou un thermocouple lié à la tige de TG.
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Le type de thermocouple employé doit être consigné dans le rapport d’essai. Le thermocouple doit être

résistant à l’atmosphère oxydante ou corrosive en conditions sèches ou humides. Des gaines protectrices

doivent être utilisées pour protéger les fils des thermocouples. Ces gaines doivent supporter sans

détérioration la température et l’environnement de l’essai.
5.4 Dispositif d’acquisition de données

Un dispositif d’acquisition de données est exigé afin de réaliser une acquisition automatique de la masse

de l’éprouvette et de la température ou du temps, ou les deux, et afin de représenter graphiquement

la variation de la masse en fonction de la température ou du temps. Sa vitesse d’acquisition doit être

suffisante pour tracer une courbe TG précise. Il est recommandé qu’il soit capable d’enregistrer

au moins 1 000 points de données sur la durée de l’essai.
5.5 Support de l’éprouvette

Le support de l’éprouvette est lié à la balance et situé dans le four. L’éprouvette peut aussi être

directement suspendue à la balance, de sorte que l’intégralité de sa surface soit en contact avec

l’atmosphère réactive (voir Figure 3). Le support de l’éprouvette doit être constitué d’un matériau qui

ne réagisse ni avec l’atmosphère utilisée ni avec le matériau de l’éprouvette sur l’ensemble de la plage de

température définie pour l’essai.
5.6 Gaz réactif et débit de gaz

Le système d’alimentation en gaz doit être en mesure de fournir à la chambre recevant l’éprouvette les

gaz d’essai à un débit constant.

Lorsqu’on a recours à un régulateur d’humidité, il doit être en mesure d’ajuster l’humidité à celle

souhaitée. De l’eau déionisée d’une conductivité inférieure à 1 µS cm doit être utilisée, sauf spécification

contraire.

La température de la zone située entre le régulateur d’humidité et la chambre recevant l’éprouvette

doit être maintenue au-dessus du point de rosée, de manière à éviter la condensation.

Le débit de gaz doit être suffisamment élevé pour garantir qu’aucun appauvrissement significatif en

espèces réactives n’intervienne. Parallèlement, le débit de gaz doit être suffisamment faible pour que

le mélange gazeux puisse être préchauffé et, selon les cas, puisse atteindre l’équilibre et ne pas causer

d’erreurs de pesage.

Le débit gazeux doit être surveillé au moyen d’un débitmètre. Le débitmètre doit être situé le plus proche

possible de l’entrée de la chambre recevant l’éprouvette, excepté lorsqu’un régulateur d’humidité est

utilisé, auquel cas il doit être situé en amont de l’humidificateur.

Pour les essais menés sous air, une humidité spécifique (fraction massique d’eau dans l’air)

d’environ 20 g/kg est recommandée. Cela correspond à une humidité relative de 100 % à 25 °C (point

de rosée) et peut être facilement obtenu en faisant buller l’air à travers un bain d’eau à 25 °C.

Si un autre taux d’humidité est employé, celui-ci doit faire l’objet d’un accord entre les parties

concernées.

Dans le cas où le gaz est humidifié, la teneur en vapeur d’eau doit être mesurée. Cela peut être effectué

au moyen, par exemple, d’un hygromètre placé avant la chambre recevant l’éprouvette, ou en mesurant

la quantité d’eau après condensation des gaz à la sortie, ou en mesurant la consommation d’eau de

l’humidificateur sur toute la durée de l’essai.

AVERTISSEMENT — Avant toute utilisation de gaz réactif, il est exigé de vérifier que la

thermobalance soit adaptée à ce type de mesurage, en s’assurant tout particulièrement de la

sécurité des opérateurs et qu’il n’y ait pas de risque de corrosion ou de dégradation de pièces de

l’instrument – en particulier les pièces métalliques (thermocouple, balance et four).

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5.7 Protection de la thermobalance

Si un gaz inerte est utilisé afin de protéger les pièces métalliques de la thermobalance lors de l’essai, il

faut s’assurer que l’atmosphère autour de l’éprouvette ne soit pas modifiée.
6 Étalonnage
6.1 Étalonnage du pesage

L’étalonnage de la balance doit être réalisé au moyen d’une palette appropriée de masses étalons,

sans flux gazeux dans la thermobalance (afin d’éviter tout effet de la poussée d’Archimède ou de la

convection, ou les deux). L’étalonnage doit être réalisé au moins une fois par an ou chaque fois qu’une

modification significative est apportée à l’
...

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