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

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
• ICS: 81.060.30 - Advanced ceramics
• Technical Committee: ISO/TC 206 - Fine ceramics
• Drafting Committee: ISO/TC 206/WG 4 - Composites
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Completion Date: 15-Jun-2023

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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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
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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
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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.
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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
l
part of the test specimen that has uniform and minimum external diameter
3.2
gauge length
L
0
initial distance between reference points on the test specimen in the calibrated length
3.3
initial cross-section area
S
0
area of the test specimen within the calibrated length
3.4
effective cross-section area
S
0,eff
total area corrected by a factor, to account for the presence of an anti-oxidative protection
3.5
external diameter
d
o
outer distance through the centre of a tube from one side to the other
3.6
internal diameter
d
i
inner distance through the centre of a tube from one side to the other
3.7
longitudinal deformation
A
increase in the gauge length between reference points under a tensile force
3.8
longitudinal deformation under maximum tensile force
A
m
increase in the gauge length between reference points under maximum tensile force
3.9
tensile strain
ε
zz
relative change in the gauge length defined as the ratio A/L
0
3.10
tensile strain under maximum force
ε
zz,m
relative change in the gauge length defined as the ratio A /L
m 0
3.11
circumferential strain
ε
θθ
relative change in circumferential direction in the gauge length
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ISO 20323:2018(E)

3.12
tensile stress
σ
tensile force supported by the test specimen at any time in the test divided by the initial cross-section
area (S )
0
3.13
effective tensile stress
σ
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
F
m
highest recorded tensile force in a tensile test on the test specimen when tested to failure
3.15
tensile strength
σ
m
ratio of the maximum tensile force to the initial cross-section area (S )
0
3.16
effective tensile strength
σ
m,eff
ratio of the maximum tensile force to the effective cross-section area (S )
0,eff
3.17
proportionality ratio
pseudo-elastic modulus
E
P
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
E
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
ν
θz
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.
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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.
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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.
−4
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.
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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

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ISO 20323:2018(F)

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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en oeuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
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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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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
l
partie de l'éprouvette où le diamètre extérieur est le plus faible et est uniforme
3.2
longueur de jauge
L
0
distance initiale entre les points de référence dans la longueur utile de l'éprouvette
3.3
aire initiale de la section
S
0
aire initiale de la section de l'éprouvette dans la longueur utile
3.4
aire effective de la section
S
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
d
o
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
d
i
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
A
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
A
m
augmentation de la longueur de jauge entre les points de référence sous une force maximale de traction
3.9
déformation de traction
ε
zz
modification relative de la longueur de jauge définie comme le rapport A/L
0
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3.10
déformation de traction sous une force maximale
ε
zz,m
modification relative de la longueur de jauge définie comme le rapport A /L
m 0
3.11
déformation circonférentielle
ε
θθ
modification relative de la longueur de jauge dans la direction circonférentielle
3.12
contrainte de traction
σ
force de traction supportée par l'éprouvette à tout instant de l'essai, divisée par l'aire de la section
initiale (S )
0
3.13
contrainte de traction effective
σ
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
F
m
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
σ
m
rapport de la force maximale de traction à l'aire de la section initiale (S )
0
3.16
résistance en traction effective
σ
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
E
P
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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3.18
coefficient de proportionnalité effectif
module pseudo-élastique effectif
E
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
ν
θz
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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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.
-4
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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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
...