Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites at ambient temperature in air atmospheric pressure — Determination of tensile properties of tubes

ISO 20323:2018 specifies the conditions for the determination of tensile properties of ceramic matrix composite tubes with continuous fibre-reinforcement at ambient temperature in air atmospheric pressure. This document is specific to the tubular geometries since fibre architecture and specimen geometry factors are distinctly different in composite tubes than in flat specimens. ISO 20323:2018 provides information on the uniaxial tensile properties and tensile stress-strain response such as tensile strength and strain, tensile elastic modulus and Poisson's ratio. The information may be used for material development, control of manufacturing (quality insurance), material comparison, characterization, reliability and design data generation for tubular components. ISO 20323:2018 addresses, but is not restricted to, various suggested test piece fabrication methods. It applies primarily to ceramic and/or glass matrix composite tubes with a continuous fibrous-reinforcement: unidirectional (1D filament winding and tape lay-up), bi-directional (2D braid and weave) and tri-directional (xD, with 2 Values expressed in this document are in accordance with the International System of Units (SI). NOTE In most cases, ceramic matrix composites to be used at high temperature in air are coated with an antioxidation coating.

Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites céramiques à température ambiante et à pression atmosphérique — Détermination des propriétés en traction de tubes

L'ISO 20323:2018 spécifie les conditions de détermination des propriétés en traction de tubes composites à matrice céramique avec renfort de fibres continues à température ambiante et à pression atmosphérique. Il s'applique exclusivement aux composites à matrice céramique tubulaire dont la géométrie est étroitement liée à la nature de l'architecture fibreuse. L'ISO 20323:2018 donne des informations sur le comportement en traction uniaxiale et sur les propriétés associées comme la résistance et la déformation en traction, le module d'élasticité en traction et le coefficient de Poisson. Les informations peuvent être utilisées pour le développement de matériaux, le contrôle de fabrication (assurance qualité), la comparaison de matériaux, la caractérisation ou encore pour la production de données fiables pour le dimensionnement et la conception de composants tubulaires. L'ISO 20323:2018 traite, sans s'y limiter, de pièces pouvant être élaborées par différentes voies. Il s'applique principalement aux tubes composites à matrice céramique et/ou en verre avec renfort de fibres continues: unidirectionnel (enroulement filamentaire et disposition en bande 1D), bidirectionnel (tressage et tissage2D), et tridirectionnel (xD, avec 2 Les valeurs figurant dans le présent document sont exprimées selon le système international d'unités (SI). NOTE Dans la plupart des cas, les composites à matrice céramique destinés à un usage à haute température sous air sont protégés par un revêtement anti-oxydation.

General Information

Status
Published
Publication Date
26-Mar-2018
Technical Committee
Drafting Committee
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
27-Mar-2018
Completion Date
27-Mar-2018
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ISO 20323:2018 - Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) -- Mechanical properties of ceramic composites at ambient temperature in air atmospheric pressure -- Determination of tensile properties of tubes
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ISO 20323:2018 - Céramiques techniques -- Propriétés mécaniques des composites céramiques a température ambiante et a pression atmosphérique -- Détermination des propriétés en traction de tubes
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20323
First edition
2018-03
Fine ceramics (advanced ceramics,
advanced technical ceramics) —
Mechanical properties of ceramic
composites at ambient temperature
in air atmospheric pressure —
Determination of tensile properties
of tubes
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites
céramiques à température ambiante et à pression atmosphérique —
Détermination des propriétés en traction de tubes
Reference number
ISO 20323:2018(E)
ISO 2018
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ISO 20323:2018(E)
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© ISO 2018

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Published in Switzerland
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ISO 20323:2018(E)
Contents Page

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

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

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

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

4 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 4

5 Apparatus ..................................................................................................................................................................................................................... 4

6 Tubular test specimens ................................................................................................................................................................................. 8

6.1 Specimen specifications .................................................................................................................................................................. 8

6.1.1 General...................................................................................................................................................................................... 8

6.1.2 Dimension .............................................................................................................................................................................. 8

6.1.3 Geometry ................................................................................................................................................................................ 8

6.1.4 Tolerances and variability .................. ...................................................................................................................... 9

6.2 Specimen preparation ...................................................................................................................................................................... 9

6.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 9

6.2.2 As-fabricated ....................................................................................................................................................................10

6.2.3 Application-matched machining .....................................................................................................................10

6.2.4 Customary practices ..................................................................................................................................................10

6.2.5 Standard procedure....................................................................................................................................................10

6.3 End collars ...............................................................................................................................................................................................10

6.4 Test count and test specimens sampling .......................................................................................................................12

7 Test procedure .....................................................................................................................................................................................................12

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................12

7.2 Test mode and rates .........................................................................................................................................................................12

7.3 Testing technique ...............................................................................................................................................................................13

7.3.1 Measurement of test specimen dimensions ..........................................................................................13

7.3.2 Instrumentation of test specimen ..................................................................................................................13

7.3.3 Test specimen mounting ........................................................................................................................................13

7.3.4 Setting-up of strain measurement means ...............................................................................................13

7.3.5 Measurements .................................................................................................................................................................14

7.3.6 Post-test analyses .........................................................................................................................................................15

7.4 Test validity .............................................................................................................................................................................................15

8 Calculation of results ....................................................................................................................................................................................15

8.1 Test specimen origin .......................................................................................................................................................................15

8.2 Engineering stress and strain..................................................................................................................................................16

8.3 Tensile strength ...................................................................................................................................................................................17

8.4 Strain at maximum tensile force ...........................................................................................................................................17

8.5 Proportionality ratio or pseudo-elastic modulus, elastic modulus ........................................................18

8.5.1 Stress-strain curves with a linear region .................................................................................................18

8.5.2 Nonlinear stress-strain curves ..........................................................................................................................19

8.6 Poisson’s ratio (optional) ............................................................................................................................................................19

8.7 Statistics .....................................................................................................................................................................................................19

9 Test report ................................................................................................................................................................................................................20

9.1 General ........................................................................................................................................................................................................20

9.2 Testing information..........................................................................................................................................................................20

9.3 Test specimen and material ......................................................................................................................................................20

9.4 Equipment and test parameters ...........................................................................................................................................21

9.5 Test results...............................................................................................................................................................................................21

Annex A (informative) Gripping devices and load train couplers .......................................................................................22

Annex B (informative) Test specimen geometries ..............................................................................................................................27

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................28

© ISO 2018 – All rights reserved iii
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ISO 20323:2018(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 206, Fine ceramics.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20323:2018(E)
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical
ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites
at ambient temperature in air atmospheric pressure —
Determination of tensile properties of tubes
1 Scope

This document specifies the conditions for the determination of tensile properties of ceramic matrix

composite tubes with continuous fibre-reinforcement at ambient temperature in air atmospheric

pressure. This document is specific to the tubular geometries since fibre architecture and specimen

geometry factors are distinctly different in composite tubes than in flat specimens.

This document provides information on the uniaxial tensile properties and tensile stress-strain response

such as tensile strength and strain, tensile elastic modulus and Poisson’s ratio. The information may

be used for material development, control of manufacturing (quality insurance), material comparison,

characterization, reliability and design data generation for tubular components.

This document addresses, but is not restricted to, various suggested test piece fabrication methods.

It applies primarily to ceramic and/or glass matrix composite tubes with a continuous fibrous-

reinforcement: unidirectional (1D filament winding and tape lay-up), bi-directional (2D braid and

weave) and tri-directional (xD, with 2 < x < 3), loaded along the tube axis.

Values expressed in this document are in accordance with the International System of Units (SI).

NOTE In most cases, ceramic matrix composites to be used at high temperature in air are coated with an

antioxidation coating.
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 20507, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Vocabulary

ISO 7500-1, Metallic materials — Calibration and verification of static uniaxial testing machines — Part 1:

Tension/compression testing machines — Calibration and verification of the force-measuring system

ISO 17161, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Ceramic composites —

Determination of the degree of misalignment in uniaxial mechanical tests

ISO 9513, Metallic materials — Calibration of extensometer systems used in uniaxial testing

ISO 3611, Geometrical product specifications (GPS) — Dimensional measuring equipment: Micrometers for

external measurements — Design and metrological characteristics

ASTM E2208-02, Standard Guide for Evaluating Non-Contacting Optical Strain Measurement Systems

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 20507 and the following apply.

© ISO 2018 – All rights reserved 1
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ISO 20323:2018(E)

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

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
calibrated length
part of the test specimen that has uniform and minimum external diameter
3.2
gauge length

initial distance between reference points on the test specimen in the calibrated length

3.3
initial cross-section area
area of the test specimen within the calibrated length
3.4
effective cross-section area
0,eff

total area corrected by a factor, to account for the presence of an anti-oxidative protection

3.5
external diameter
outer distance through the centre of a tube from one side to the other
3.6
internal diameter
inner distance through the centre of a tube from one side to the other
3.7
longitudinal deformation
increase in the gauge length between reference points under a tensile force
3.8
longitudinal deformation under maximum tensile force

increase in the gauge length between reference points under maximum tensile force

3.9
tensile strain
relative change in the gauge length defined as the ratio A/L
3.10
tensile strain under maximum force
zz,m
relative change in the gauge length defined as the ratio A /L
m 0
3.11
circumferential strain
relative change in circumferential direction in the gauge length
2 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 20323:2018(E)
3.12
tensile stress

tensile force supported by the test specimen at any time in the test divided by the initial cross-section

area (S )
3.13
effective tensile stress
eff

tensile force supported by the test specimen at any time in the test divided by the effective cross-

section area (S )
0,eff
3.14
maximum tensile force

highest recorded tensile force in a tensile test on the test specimen when tested to failure

3.15
tensile strength
ratio of the maximum tensile force to the initial cross-section area (S )
3.16
effective tensile strength
m,eff
ratio of the maximum tensile force to the effective cross-section area (S )
0,eff
3.17
proportionality ratio
pseudo-elastic modulus
slope of the initial linear section of the stress-strain curve

Note 1 to entry: Examination of the stress-strain curves for ceramic matrix composites allows definition of the

following cases:
a) Material with an initial linear domain in the stress-strain curve.

The proportionality ratio or pseudo-elastic modulus is termed the elastic modulus, E, in the single case where the

linearity starts near the origin.
b) Material with no-linear section in the stress-strain curve.
In this case only stress-strain couples can be fixed.
3.18
effective proportionality ratio
effective pseudo-elastic modulus
P,eff

slope of the linear section of the stress-strain curve, if any, when the effective tensile stress is used

3.19
Poisson’s ratio
negative ratio of circumferential to axial strain
3.20
coordinate system
system used to determine location in space
Note 1 to entry: Cylindrical coordinates are adopted in the present document.
© ISO 2018 – All rights reserved 3
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ISO 20323:2018(E)
Note 2 to entry: The notations shown in Figure 1 apply for space representation.
Key
z axial
r radial
θ circumferential
Figure 1 — Cylindrical coordinate system used for the CMC tubes
4 Principle

A prepared tubular test specimen of specified dimensions is loaded in monotonic uniaxial tension up

to fracture. The test is performed at constant cross-head displacement, or constant strain (or constant

loading rate). Both the applied force and resulting longitudinal strain are measured and recorded

simultaneously. The uniaxial tensile strength and strain are determined from the maximum applied

force, while the various other tensile properties are determined from the stress-strain response data.

Generally, the test is carried out under conditions of ambient temperature and environment.

NOTE 1 In uniaxial loading, the force is applied parallel to the tube axis. Monotonic refers to a continuous

nonstop test rate with no reversals from test initiation to final fracture.

NOTE 2 The use of constant loading rate only gives a valid tensile curve when the behaviour is linear up to

failure.
5 Apparatus
5.1 Test machine.

The test machine shall be equipped with a system for measuring the force applied to the tubular test

specimen conforming to grade 1 or better in accordance with ISO 7500-1.
5.2 Test specimen gripping.

Various types of gripping device may be used to transmit the measured force applied by the testing

machine to the tubular test specimen. It shall prevent the tubular test specimen from slipping.

The brittle nature of the matrices of continuous fibre ceramic composites (CFCCs) requires a uniform

and continuous contact between the grip components and the gripped section of the tubular test

specimen in order to minimize crack initiation and fracture in this area.
4 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 20323:2018(E)

Gripping devices can be generally classified as those employing active grip interfaces and those

employing passive grip interfaces that include gripping system with adhesive bonding or through a

pin-loaded fixture. Examples, descriptions and designs for both the gripping types are discussed in

Annex A.

If an active grip interface system is used, the length of the grip section shall be long enough to develop

sufficient friction force to transmit the tensile forces to the tubular test specimen. As a general rule,

grip lengths are defined at least 1,5 times higher than the external diameter of the specimen. If the

tubular test specimen is pulling out of the grips, thus failing to increase the clamping pressure, longer

grip lengths might be needed.

To prevent crushing of the tubular test specimen by the lateral pressure and subsequent collapse of the

tube wall, it is advisable to insert an end plug into the interior of the grip section of the tube specimen

or to provide a suitable geometry for end collars (see 6.3).
5.3 Load train couplers.

Various types of devices may be used to fix the active or passive grip interface assemblies to the testing

machine. The load train couplers in conjunction with the type of gripping device play major roles in the

alignment of the load train and extraneous bending imposed in the tubular test specimen; they can be

generally classified as fixed and non-fixed and are discussed in Annex A.

If each system type can be used, the load train configuration shall ensure that the load indicated by

the load cell and the load experienced by the tubular test specimen are the same. The alignment shall

be checked and documented in accordance with, for example, the procedure described in ISO 17161

adapted to the tubular geometry of specimen.
The maximum relative bending shall not exceed 5 % at an average strain of 5,10 .
5.4 Strain measurement.
5.4.1 General

Strain should be locally measured in order to avoid having to take into account the compliance of the

machine. This may be by means of suitable extensometers, bonded resistance strain gauges or digital

image correlation (DIC). If Poisson’s ratio is to be determined, the tubular test specimen must be

instrumented to measure strain in both longitudinal and circumferential directions.

5.4.2 Extensometers

Extensometers used for tensile testing of CFCC tubular test specimens shall be capable of continuously

recording the longitudinal strain at test temperature. They shall be of class 1 in accordance with

ISO 9513.

Extensometers with the highest gauge length are recommended (minimum of 25 mm required) and

shall be centrally located in the mid region of the axial direction of the gauge section of the tubular test

specimen.

If mechanical extensometers are used, the selected attachment should cause no damage to the specimen

surface. In addition, the weight of the extensometers should be supported, so as not to introduce

bending stresses in the tubular test specimen greater than that allowed in 5.3.

Extensometers should preferably be of a type that is capable of measuring elongation on two places of

the tubular test specimen for averaging of strain and/or determination of in-situ relative bending. Care

should be taken to correct for changes in calibration of the extensometer that may occur as a result of

operating under conditions different from calibration.
© ISO 2018 – All rights reserved 5
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ISO 20323:2018(E)
5.4.3 Strain gauges
5.4.3.1 General

Although extensometers are commonly used to measure strain in tensile test of CFCC tubes, strain can

also be determined with bonded resistance strain gauges and suitable strain recording equipment. The

strain gauges, the surface preparation and the bonding agents should be chosen to provide adequate

performance on the tested materials.
Some guidelines on the use of strain gauges on CFCC tubes are as follows.
5.4.3.2 Strain gauge selection

Unless it can be shown that strain gauge readings are not unduly influenced by localized strain

events such as fibre crossovers, strain gauges should be not less than 9 mm to 12 mm in length for the

longitudinal direction and not less than 6 mm in length for the circumferential direction.

When testing braided or woven fabric composites, the strain gauges should have an active gauge length

that is at least as great as the characteristic unit cell (repeating unit) of the reinforcement; this averages

the localized strain effects of the fibre crossovers.

In uniaxial loading, a single-grid gauge pattern would normally be used with the gauge axe aligned to

coincide with the longitudinal direction of the tubular test specimen.

NOTE Poisson’s ratio can be determined with biaxial two-element (0–90) strain gauge rosettes which

measure the strain in both the longitudinal and circumferential directions.
5.4.3.3 Surface preparation

The relatively rough surface of composites usually requires some preparation prior to strain gauge

bonding. The basic steps have to include solvent degreasing, abrading or filling and cleaning.

Matrix-rich surfaces can usually be abraded with 320-grit silicon carbide paper (SCP-2) to produce

a satisfactory matte finish. However, unless their surfaces have been machined or have received a

smoothing treatment, tubular test specimens of poor matrix content composites or those with textured

surface require alternative techniques.

NOTE A typical method is to apply a thin epoxy precoat to smooth the surface irregularities and finish by

polishing.

Reinforcing fibres should not be exposed or damaged during the surface preparation process. In

particular, abrasion should be kept to a minimum to avoid possible damage to fibres in the external

surface of the composite.
5.4.4 Digital image correlation
5.4.4.1 General

The DIC method can also be used to determine local strain of CFCC tubular test specimens loaded in

tensile from the displacement field measurement. The general procedure to be followed for estimating

the strain shall be in accordance with ASTM E2208-02.
Some guidelines on the use of the DIC method on CFCC tubes are as follows.
5.4.4.2 Experimental setup

The experimental setup for DIC measurements requires a digital CCD camera coupled with an

optical macro lens to acquire high spatial resolution micrographs (a minimum of 20 µm per pixel is

recommended). In the present case, the use of a telecentric lens is required to overcome the curvature

effect of the tubular test specimens.
6 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 20323:2018(E)

The imaging conditions for DIC measurements have to be selected to ensure that the entire coupon

surface is in the best focal plane of the camera and that the highest possible magnification could be

attained. Annular illumination with white or monochromantic light is recommended to provide a

correct signal-to-noise ratio.

The camera needs to be able to acquire micrographs at a suitable frame rate in order to achieve a

sufficient temporal resolution of the test. Depending on the device, special timing and triggering control

is required to synchronize the acquisition of the camera with the applied load.

For mechanical tensile test, the maximum frame rate of the camera limits the maximum speed of the

displacement that can be imposed on the specimen. In general, the frame rate of the camera should be

at least twice the displacement rate.
5.4.4.3 Surface preparation

The requirement for surface preparation depends on both the magnification of the imaging system

and the surface characteristics of the composite. In general, the technique requires sharp grayscale

information of the order of 1 pixel in size at the CCD recording device.

The most common way to prepare a suitable surface is the use of high-contrast speckle patterns. These

can be obtained by applying a matt randomized coating such as speckled black dots on a homogenous

white background. The composite materials with a pronounced roughness average are expected to

naturally produce highly micro-textured images.
5.4.4.4 Calculation

Correlation may be then carried out using DIC commercial software. The selection of the correlation

area in terms of dimensions should be such as calculations led to determine the longitudinal strain.

Reference to the software provider’s instructions must be followed for the execution and interpretation

of the measure.

NOTE Poisson’s ratio can be determined by applying a similar calculation to measure the circumferential

strain on a close area.
5.5 Data recording system.
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 20323
Première édition
2018-03
Céramiques techniques — Propriétés
mécaniques des composites
céramiques à température ambiante
et à pression atmosphérique —
Détermination des propriétés en
traction de tubes
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) —
Mechanical properties of ceramic composites at ambient
temperature in air atmospheric pressure — Determination of tensile
properties of tubes
Numéro de référence
ISO 20323:2018(F)
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 20323:2018(F)
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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Fax: +41 22 749 09 47
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 20323:2018(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

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

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 2

4 Principe .......................................................................................................................................................................................................................... 4

5 Appareillage .............................................................................................................................................................................................................. 5

5.1 Machine d'essai ...................................................................................................................................................................................... 5

5.2 Fixation de l'éprouvette .................................................................................................................................................................. 5

5.3 Systèmes d'application d'effort ................................................................................................................................................ 5

5.4 Mesure de la déformation.............................................................................................................................................................. 5

5.4.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 5

5.4.2 Extensomètres ................................................................................................................................................................... 6

5.4.3 Jauges de déformation ................................................................................................................................................ 6

5.4.4 Corrélation d'images numériques .................................................................................................................... 7

5.5 Système d'enregistrement des données............................................................................................................................ 8

5.6 Mesure des dimensions ................................................................................................................................................................... 8

6 Éprouvettes tubulaires ................................................................................................................................................................................... 8

6.1 Spécifications des éprouvettes .................................................................................................................................................. 8

6.1.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

6.1.2 Dimension .............................................................................................................................................................................. 9

6.1.3 Géométrie ...................................................................... ......................................................................................................... 9

6.1.4 Tolérances et variabilité .........................................................................................................................................10

6.2 Préparation des éprouvettes ....................................................................................................................................................10

6.2.1 Généralités .........................................................................................................................................................................10

6.2.2 Éprouvettes brutes de fabrication .................................................................................................................10

6.2.3 Recours à un usinage de surface conforme à l’application.......................................................10

6.2.4 Pratiques routinières ................................................................................................................................................11

6.2.5 Procédure normalisée ..............................................................................................................................................11

6.3 Talons de préhension .....................................................................................................................................................................11

6.4 Essais et nombre d’éprouvettes ............................................................................................................................................12

7 Mode opératoire pour la conduite d’essai ..............................................................................................................................13

7.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................13

7.2 Pilotage et vitesses d'essai .........................................................................................................................................................13

7.3 Conduite de l’essai ............................................................................................................................................................................13

7.3.1 Mesure des dimensions de l’éprouvette ...................................................................................................13

7.3.2 Instrumentation de l’éprouvette .....................................................................................................................13

7.3.3 Fixation de l'éprouvette ..........................................................................................................................................13

7.3.4 Réglage des instruments de mesure de la déformation ..............................................................14

7.3.5 Mesures .................................................................................................................................................................................15

7.3.6 Analyses post-essai .....................................................................................................................................................15

7.4 Validité de l'essai ................................................................................................................................................................................15

8 Calcul des résultats .........................................................................................................................................................................................16

8.1 Repérage de l'éprouvette ............................................................................................................................................................16

8.2 Contrainte et déformation ......... .................................................................................................................................................16

8.3 Résistance en traction ....................................................................................................................................................................17

8.4 Déformation à la force maximale de traction ............................................................................................................17

8.5 Coefficient de proportionnalité ou module pseudo-élastique, module élastique ......................18

8.5.1 Courbes contrainte-déformation avec une partie linéaire .......................................................18

8.5.2 Courbes contrainte-déformation sans partie linéaire ..................................................................19

8.6 Coefficient de Poisson (facultatif) .......................................................................................................................................19

8.7 Statistiques ..............................................................................................................................................................................................19

© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO 20323:2018(F)

9 Rapport d'essai ...................................................................................................................................................................................................20

9.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................20

9.2 Informations relatives aux essais .........................................................................................................................................20

9.3 Éprouvette et matériau .................................................................................................................................................................20

9.4 Équipements et paramètres d'essai ...................................................................................................................................21

9.5 Résultats d'essai ..................................................................................................................................................................................21

Annexe A (informative) Dispositifs de fixation et système d'application d'effort .............................................22

Annexe B (informative) Géométries d'éprouvette ...............................................................................................................................27

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................28

iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO 20323:2018(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.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 206, Céramiques techniques.

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NORME INTERNATIONALE ISO 20323:2018(F)
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des
composites céramiques à température ambiante et à
pression atmosphérique — Détermination des propriétés
en traction de tubes
1 Domaine d'application

Le présent document spécifie les conditions de détermination des propriétés en traction de tubes

composites à matrice céramique avec renfort de fibres continues à température ambiante et à pression

atmosphérique. Il s’applique exclusivement aux composites à matrice céramique tubulaire dont la

géométrie est étroitement liée à la nature de l’architecture fibreuse.

Le présent document donne des informations sur le comportement en traction uniaxiale et sur les

propriétés associées comme la résistance et la déformation en traction, le module d'élasticité en traction

et le coefficient de Poisson. Les informations peuvent être utilisées pour le développement de matériaux,

le contrôle de fabrication (assurance qualité), la comparaison de matériaux, la caractérisation ou

encore pour la production de données fiables pour le dimensionnement et la conception de composants

tubulaires.

Le présent document traite, sans s’y limiter, de pièces pouvant être élaborées par différentes voies. Il

s'applique principalement aux tubes composites à matrice céramique et/ou en verre avec renfort de

fibres continues: unidirectionnel (enroulement filamentaire et disposition en bande 1D), bidirectionnel

(tressage et tissage2D), et tridirectionnel (xD, avec 2 < x < 3) sollicités suivant l'axe du tube.

Les valeurs figurant dans le présent document sont exprimées selon le système international d'unités (SI).

NOTE Dans la plupart des cas, les composites à matrice céramique destinés à un usage à haute température

sous air sont protégés par un revêtement anti-oxydation.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels

amendements).
ISO 20507, Céramiques techniques — Vocabulaire

ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification des machines pour essais statiques

uniaxiaux — Partie 1: Machines d’essai de traction/compression — Étalonnage et vérification du système

de mesure de force

ISO 17161, Céramiques techniques — Céramiques composites — Détermination du degré de non-alignement

lors des essais mécaniques uniaxiaux

ISO 9513, Matériaux métalliques — Étalonnage des chaînes extensométriques utilisées lors d’essais

uniaxiaux

ISO 3611, Spécification géométrique des produits (GPS) — Équipement de mesurage dimensionnel:

Micromètres d’extérieur — Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques

ASTM E2208-02, Standard Guide for Evaluating Non-Contacting Optical Strain Measurement Systems

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ISO 20323:2018(F)
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l'ISO 20507 ainsi que les 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 http:// www .electropedia .org/
3.1
longueur utile

partie de l'éprouvette où le diamètre extérieur est le plus faible et est uniforme

3.2
longueur de jauge

distance initiale entre les points de référence dans la longueur utile de l'éprouvette

3.3
aire initiale de la section
aire initiale de la section de l'éprouvette dans la longueur utile
3.4
aire effective de la section
0,eff

aire totale de la section corrigée par un facteur, prenant en compte la présence d'un revêtement de

protection contre l'oxydation
3.5
diamètre extérieur

distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés

sur la face extérieure du tube
3.6
diamètre intérieur

distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés

sur la face intérieure du tube
3.7
déformation longitudinale

augmentation de la longueur de jauge entre les points de référence sous une force de traction

3.8
déformation longitudinale sous une force maximale de traction

augmentation de la longueur de jauge entre les points de référence sous une force maximale de traction

3.9
déformation de traction
modification relative de la longueur de jauge définie comme le rapport A/L
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO 20323:2018(F)
3.10
déformation de traction sous une force maximale
zz,m
modification relative de la longueur de jauge définie comme le rapport A /L
m 0
3.11
déformation circonférentielle

modification relative de la longueur de jauge dans la direction circonférentielle

3.12
contrainte de traction

force de traction supportée par l'éprouvette à tout instant de l'essai, divisée par l'aire de la section

initiale (S )
3.13
contrainte de traction effective
eff

force de traction supportée par l'éprouvette à tout instant de l'essai, divisée par l'aire de la section

effective (S )
0,eff
3.14
force maximale de traction

force de traction la plus élevée enregistrée, atteinte par l'éprouvette lors d'un essai de traction conduit

jusqu'à rupture
3.15
résistance en traction
rapport de la force maximale de traction à l'aire de la section initiale (S )
3.16
résistance en traction effective
m,eff
rapport de la force maximale de traction à l'aire de la section effective (S )
0,eff
3.17
coefficient de proportionnalité
module pseudo-élastique
pente de la partie linéaire de la courbe contrainte-déformation

Note 1 à l'article: L'examen des courbes contrainte-déformation des composites à matrice céramique conduit à

définir les cas suivants:
a) Matériau présentant une zone linéaire dans la courbe contrainte-déformation.

Le coefficient de proportionnalité ou module pseudo-élastique est appelé module élastique, E, dans le seul cas où

la linéarité est très proche de l'origine.
b) Matériau présentant une courbe contrainte-déformation non linéaire.
Dans ce cas, seuls des couples contrainte-déformation peuvent être fixés.
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ISO 20323:2018(F)
3.18
coefficient de proportionnalité effectif
module pseudo-élastique effectif
P,eff

pente de la partie linéaire de la courbe contrainte-déformation, si elle existe, lorsque la contrainte de

traction effective est utilisée
3.19
coefficient de Poisson
rapport négatif de la déformation circonférentielle à la déformation axiale
3.20
système de coordonnée
système utilisé pour déterminer une position dans l’espace

Note 1 à l'article: Les coordonnées cylindriques sont adoptées dans le présent document.

Note 2 à l'article: Les notations présentées dans la Figure 1 s'appliquent pour une représentation dans l'espace.

Légende
z axial
r radial
θ circonférentiel

Figure 1 — Système de coordonnées cylindrique utilisé pour les tubes composites à matrice

céramique
4 Principe

Une éprouvette tubulaire de dimensions spécifiées et préalablement préparée est soumise à un essai de

traction uniaxiale monotone jusqu'à rupture. L'essai est réalisé à une vitesse de déplacement de traverse

constante, ou à une vitesse de déformation constante (ou à une vitesse d'effort constante). La force

appliquée et la déformation longitudinale résultante sont mesurées et enregistrées simultanément.

La résistance et la déformation en traction uniaxiale sont déterminées à partir de la force maximale

appliquée, les autres propriétés en traction sont déterminées directement à partir de la courbe de

réponse déformation en fonction de la contrainte.

En général, l'essai est effectué dans des conditions de température et d'environnement ambiants.

NOTE 1 Pour l'effort uniaxial, la force est appliquée parallèlement à l'axe du tube. Par « monotone », on entend

une vitesse d'essai continue ininterrompue sans retour en arrière jusqu'à la rupture.

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ISO 20323:2018(F)

NOTE 2 L'utilisation d'une vitesse d'effort constante donne une courbe de traction valide uniquement lorsque

le comportement est linéaire jusqu'à la rupture.
5 Appareillage
5.1 Machine d'essai

La machine d'essai doit être équipée d'un système de mesure de la force appliquée à l'éprouvette

tubulaire qui doit être de classe 1 ou mieux, conformément à la norme ISO 7500-1.

5.2 Fixation de l'éprouvette

Différents types de dispositif de fixation peuvent être utilisés pour transmettre la force mesurée et

appliquée par la machine d'essai à l'éprouvette tubulaire. Le dispositif doit permettre d'éviter tout

glissement de l'éprouvette tubulaire.

La nature fragile des matrices des composites à matrice céramique et à fibres continues (CMC) impose

d'avoir un contact uniforme et continu entre les pièces de fixation et la partie fixée de l'éprouvette

tubulaire de manière à réduire au minimum l'apparition de fissures et d'une rupture dans cette zone.

Les dispositifs de fixation sont généralement de deux catégories: ceux employant des interfaces de

fixation dites « actives » et ceux employant des interfaces de fixation dites « passives » qui incluent

le système de fixation avec une liaison par collage ou par l’intermédiaire d’une goupille rotulée. Des

exemples de conceptions de ces deux types de fixation sont décrits à l'Annexe A.

Dans le cas où un système de fixation à interface active est utilisé, la longueur de la partie de fixation

doit être suffisamment étendue pour développer une force de frottement suffisante permettant

la transmission de l’effort de traction à l'éprouvette tubulaire. En règle générale, les longueurs de

mors sont définies telles que celles-ci soient au moins 1,5 fois supérieures au diamètre extérieur de

l'éprouvette. Si l'éprouvette tubulaire est extraite des mors, empêchant d'appliquer un effort de serrage,

des longueurs de mors plus importantes peuvent être nécessaires.

Pour éviter que la pression latérale de serrage n'écrase l'éprouvette tubulaire et n'affaisse sa paroi, il est

conseillé d'insérer un bouchon dans la partie fixée de l'éprouvette tubulaire ou de prévoir des talons de

géométrie adaptée (voir 6.3).
5.3 Systèmes d'application d'effort

Différents types de dispositifs peuvent être utilisés pour fixer les ensembles de fixation à interface

active ou passive sur la machine d'essai. Les systèmes d'application d'effort, qui sont étroitement liés

au dispositif de fixation de l’éprouvette, jouent un rôle primordial dans l'alignement de la ligne de force

et dans les contraintes de flexions parasites ; ils sont généralement classés comme fixes et non fixes et

sont décrits à l'Annexe A.

S’il est possible d’utiliser chacun des systèmes, celui-ci doit être tel que la charge indiquée par la cellule

de force et la charge supportée par l'éprouvette tubulaire soient les mêmes. L'alignement doit être vérifié

et documenté, par exemple, conformément à la procédure décrite dans la norme ISO 17161, adaptée à la

géométrie tubulaire de l'éprouvette.

Le pourcentage maximal en flexion ne doit pas dépasser 5 % pour une déformation moyenne de 5,10 .

5.4 Mesure de la déformation
5.4.1 Généralités

Il convient de mesurer la déformation de manière locale afin d'éviter de devoir prendre en compte la

complaisance de la machine. Cela peut se faire au moyen d'extensomètres appropriés, de jauges de

déformation résistives encollées ou encore par corrélation d'images (DIC). Si le coefficient de Poisson

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ISO 20323:2018(F)

doit être déterminé, l'éprouvette tubulaire doit être équipée d'instruments de mesure de déformation

dans les directions longitudinale et circonférentielle.
5.4.2 Extensomètres

Les extensomètres utilisés pour les essais de traction sur éprouvettes tubulaires en CMC doivent être

capables d'enregistrer en continu la déformation longitudinale à la température d'essai. Ils doivent être

de classe 1 conformément à la norme ISO 9513.

Il est recommandé d'utiliser des extensomètres ayant une longueur de jauge la plus grande possible

(un minimum de 25 mm est requis). Ils doivent être positionnés au centre dans la zone médiane de la

direction axiale sur la longueur utile de l'éprouvette tubulaire.

Si des extensomètres de contact sont utilisés, il convient de veiller à ce que le système d’accroche

n'endommage pas la surface de l'éprouvette. En outre, il convient que le poids des extensomètres

puisse être supporté, de façon à ne pas introduire de contraintes de flexion dans l'éprouvette tubulaire

supérieures à ce qui est autorisé dans le paragraphe 5.3.

Il convient que les extensomètres soient, de préférence, capables de mesurer l'allongement en deux

points définis sur l'éprouvette tubulaire afin de déterminer une valeur de déformation moyenne

et/ou déterminer une flexion relative in-situ. Il convient de veiller à la correction des modifications

d'étalonnage de l'extensomètre lorsque celui-ci est utilisé dans des conditions différentes de celles de

l'étalonnage.
5.4.3 Jauges de déformation
5.4.3.1 Généralités

Si les extensomètres sont couramment utilisés pour mesurer la déformation lors d'un essai de

traction sur tubes CMC, la déformation peut aussi être déterminée à l'aide de jauges de déformation

résistives encollées et d'un équipement d'enregistrement approprié. Il convient de préparer les surfaces

d’éprouvette et choisir les jauges de déformation ainsi que le type de colle de façon adaptée pour obtenir

de bonnes performances sur les matériaux évalués.

Quelques recommandations concernant l'utilisation de jauges de déformation sur des tubes CMC sont

données ci-après.
5.4.3.2 Sélection de la jauge de déformation

Excepté s'il est démontré que la déformation mesurée à l’aide d’une jauge n’est pas indûment influencée

par la présence de singularités locales telles que des croisements de fils, il convient d’utiliser des jauges

de déformation de longueur au moins supérieure à 9 mm à 12 mm pour la direction longitudinale et

d'au moins 6 mm pour la direction circonférentielle.

Dans le cas d'essais sur composites tressés ou tissés, il convient que les jauges de déformation aient une

longueur de jauge utile au moins aussi grande que la taille du motif élémentaire représentatif (unité

de répétition) du renfort ; cela permet de moyenner les effets de déformation locale au nivea

...

Questions, Comments and Discussion

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