ISO 1143:2021
(Main)Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing
Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing
This document specifies the method for rotating bar bending fatigue testing of metallic materials. The tests are conducted at room temperature or elevated temperature in air, the specimen being rotated. Fatigue tests on notched specimens are not covered by this document, since the shape and size of notched specimens have not been standardized. However, fatigue test procedures described in this document can be applied to fatigue tests of notched specimens.
Matériaux métalliques — Essais de fatigue par flexion rotative de barreaux
Le présent document spécifie la méthode d'essai de fatigue par flexion rotative de barreaux en matériaux métalliques. Les essais sont réalisés à température ambiante ou à température élevée dans l'air, l'éprouvette étant mise en rotation. Les essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes entaillées ne sont pas couverts par le présent document, étant donné que leur forme et leur taille n'ont pas été normalisées. Toutefois, les procédures d'essai de fatigue décrites dans le présent document peuvent être appliquées aux essais de fatigue des éprouvettes entaillées.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 1143
Third edition
2021-07
Metallic materials — Rotating bar
bending fatigue testing
Matériaux métalliques — Essais de fatigue par flexion rotative de
barreaux
Reference number
©
ISO 2021
© ISO 2021
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Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 2
5 Principle of test . 2
6 Shape and size of specimen . 3
6.1 Forms of the test section . 3
6.2 Dimensions of specimens . 8
7 Preparation of specimens . 8
7.1 General . 8
7.2 Selection of the specimen and marking . 8
7.3 Machining procedure. 9
7.3.1 Heat treatment of test material . 9
7.3.2 Machining criteria . 9
7.3.3 Surface condition of specimens . 9
7.3.4 Dimensional checks .10
7.4 Storage and handling .10
8 Accuracy of the testing apparatus .10
9 Heating device and temperature measurement .11
10 Test procedure .11
10.1 Mounting the specimen .11
10.2 Application of force .12
10.3 Frequency selection .12
10.4 End of test .13
10.5 Procedure for testing at elevated temperature .13
11 Test report .14
12 Presentation of fatigue test results .15
12.1 Tabular presentation .15
12.2 Graphical presentation .15
13 Measurement uncertainty .16
13.1 General .16
13.2 Test conditions .16
13.3 Test results.16
Annex A (normative) Verification of the bending moment of rotating bar bending fatigue
machines .17
Annex B (informative) Example of a test report .25
Bibliography .26
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals,
Subcommittee SC 4, Fatigue, fracture and toughness testing.
The third edition cancels and replaces the second edition (ISO 1143:2010), which has been technically
revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— A new Clause 13, Measurement uncertainty, has been added;
— a new Annex B, Example of a test report, has been added.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 1143:2021(E)
Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing
WARNING — This document does not address safety or health concerns, should such issues
exist, that may be associated with its use or application. It is the responsibility of the user of this
document to establish any appropriate safety and health concerns, as well as to determine the
applicability of any national or local regulatory limitations regarding the use of this document.
1 Scope
This document specifies the method for rotating bar bending fatigue testing of metallic materials. The
tests are conducted at room temperature or elevated temperature in air, the specimen being rotated.
Fatigue tests on notched specimens are not covered by this document, since the shape and size of
notched specimens have not been standardized. However, fatigue test procedures described in this
document can be applied to fatigue tests of notched specimens.
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 376, Metallic materials — Calibration of force-proving instruments used for the verification of uniaxial
testing machines
ISO 1099, Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method
ISO 12106, Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-controlled method
ISO 12107, Metallic materials — Fatigue testing — Statistical planning and analysis of data
ISO 23718, Metallic materials — Mechanical testing — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 1099, ISO 12106, ISO 12107,
ISO 23718 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
fatigue
process of changes in properties which can occur in a metallic material due to the repeated application
of stresses or strains and that can lead to cracking or failure
3.2
fatigue life
N
f
number of applied cycles to achieve a defined failure criterion
3.3
S-N diagram
diagram that shows the relationship between stress and fatigue life (3.2)
3.4
bending moment
M
multiplication between force and length of lever arm at test temperature
3.5
section modulus
W
ratio of the moment of inertia of the cross-section of a beam undergoing flexure to the greatest distance
of an element of the beam from the neutral axis
3.6
machine lever ratio
M
lr
ratio between the force applied to the weight hanger and the bending moment (3.4) applied to the
specimen
3.7
length of lever arm
L
distance between the supporting point and the loading point
Note 1 to entry: See Figures 1 to 7.
Note 2 to entry: Since these distances are length of level arm, L = L = L.
1 2
4 Symbols
Symbols and corresponding designations are given in Table 1
Table 1 — Symbols
Symbol Designation Unit
D Diameter of gripped or loaded end of specimen mm
d Diameter of specimen where stress is maximum mm
L Length of lever arm mm
M Bending moment N·mm
M Machine lever ratio /
lr
N Fatigue life, cycles to failure cycle
f
r Radius at ends of test section that starts transition mm
from test diameter, d
W Section modulus mm
5 Principle of test
Nominally identical specimens are used, each being rotated and subjected to a constant bending
moment. The forces giving rise to the bending moment do not rotate. The specimen may be mounted
as a cantilever, with single-point or two-point loading, or as a beam, with four-point loading. The test
is continued until the specimen fails or until a pre-determined number of stress cycles have been
achieved, a stress cycle corresponds to a complete rotation of the specimen.
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6 Shape and size of specimen
6.1 Forms of the test section
The test section may be
a) cylindrical, with tangentially blending fillets at one or both ends (see Figures 1, 4 and 5),
b) tapered (see Figure 2), or
c) hourglass-type (see Figures 3, 6 and 7).
NOTE A volume of material is tested in the gauge portion of a parallel specimen in two-point and four-point
loading conditions. This volume is equally under maximum stress. For all other loading conditions and for both
parallel and hourglass specimens, only a thin planar element of material is submitted to the maximum stress at
the minimum cross-section.
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen M bending moment
d diameter of specimen where stress is maximum r radius (see Table 1)
F applied force S stress
L length of lever arm x distance along specimen axis from fixed bearing face
to maximum stress plane
Figure 1 — Parallel specimen — Single-point loading
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen M bending moment
d diameter of specimen where stress is maximum S stress
F applied force x distance along specimen axis from fixed bearing face
to maximum stress plane
L length of lever arm
Figure 2 — Tapered specimen — Single-point loading
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen M bending moment
d diameter of specimen where stress is maximum S stress
F applied force x distance along specimen axis from fixed bearing face
L length of lever arm to maximum stress plane
r radius (see Table 1)
Figure 3 — Hourglass specimen — Single-point loading
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Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen M bending moment
d diameter of specimen where stress is maximum S stress
F applied force r radius (see Table 1)
L length of lever arm
Figure 4 — Parallel specimen — Two-point loading
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen M bending moment
d diameter of specimen where stress is maximum S stress
F applied force r radius (see Table 1)
L , L length of lever arm
1 2
NOTE L = L = L
1 2
Figure 5 — Parallel specimen — Four-point loading
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen L length of lever arm
d diameter of specimen where stress is maximum M bending moment
F applied force S stress
r radius (see Table 1)
Figure 6 — Hourglass specimen — Two-point loading
Key
D diameter of gripped or loaded end of specimen
d diameter of specimen where stress is maximum
F applied force
L , L length of lever arm
1 2
M bending moment
r radius (see Table 1)
S stress
NOTE L = L = L.
1 2
Figure 7 — Hourglass specimen — Four-point loading
In each case, the test section shall be of circular cross-section. Typical parallel and hourglass specimen
shapes and related dimensions are shown in Figures 8 and 9, respectively.
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Key
n specimen code
a others
b two tops
Figure 8 — Cylindrical smooth specimen
Key
n specimen code
a others
b two tops
Figure 9 — Cylindrical hourglass specimen
The form of test section can be dependent on the type of loading to be employed. While cylindrical
or hourglass-type specimens may be loaded as beams, or as cantilevers with either single-point
or double-point loading, the tapered form of specimen is used only as a cantilever with single-point
loading. Figures 1 to 7 show, in schematic form, the bending moment and nominal stress diagrams for
the various practical cases.
The volumes of material subjected to greatest stresses are not the same for different forms of specimen,
and they may not necessarily give identical results. The test in which the largest volume of material is
highly stressed is recommended.
The use of single point loading machines should be done with great caution. One of the main drawbacks
is that the bending moment is not constant along the specimen. The section where the stress is maximum
and the corresponding stress depend not only on the specimen geometry but also on the length of level
arm. For this type of machines, cylindrical hour glass specimen geometry is recommended because the
higher stress is close to the one calculated for the minimum diameter section.
Experience has shown that a ratio of at least 2:1 between the cross-sectional areas of the gripping
regions and the test portion of the specimen is recommended. The grips which do not lead up to large
stress-concentration area are recommended.
In tests on certain materials, a combination of high stress and high speed may cause excessive hysteresis
heating of the specimen. This effect may be reduced by subjecting a smaller volume of the material or by
decreasing the test frequency (see 10.3). If the specimen is cooled, the test medium should be reported.
6.2 Dimensions of specimens
All the specimens employed in a test series for a fatigue-life determination shall have the same size,
shape and tolerance of diameter.
For the purpose of calculating the force to be applied to obtain the required stress, the actual minimum
diameter of each specimen shall be measured to an accuracy of 0,01 mm. Care shall be taken during the
measurement of the specimen prior to testing to ensure that the surface is not damaged.
On cylindrical specimens subject to constant bending moment (see Figures 4 and 5), the parallel test
section shall be parallel within 0,025 mm. For other forms of cylindrical specimen (see Figure 1),
the parallel test section shall be parallel within 0,05 mm. For material property determination, the
transition fillets at the ends of the test section should have a radius not less than 3d. For hourglass-type
specimens, the section formed by the continuous radius should have a radius not less than 5d.
Figure 8 shows the shape and dimensions of a typical cylindrical specimen. The recommended values of
d are 6 mm, 7,5 mm and 9,5 mm. The tolerance of diameter should be 0,005d. Figure 9 shows a typical
hourglass specimen suitable for fatigue testing at elevated temperature.
7 Preparation of specimens
7.1 General
In any rotating bar bending fatigue test program designed to characterize the intrinsic properties of
a material, it is important to observe the following recommendations in the preparation of specimens.
A possible reason for deviation from these recommendations is if the test program aims to determine
the influence of a specific factor (surface treatment, oxidation, etc.) that is incompatible with the
recommendations. In all cases, any deviation shall be noted in the test report.
7.2 Selection of the specimen and marking
The sampling of test materials from a semi-finished product or a component may have a major influence
on the results obtained during the test. It is therefore necessary for this sampling to be recorded and a
sampling drawing be prepared. This shall form part of the test report and shall indicate clearly
— the position of each of the specimens removed from the semi-finished product or component,
— the characteristic directions in which the semi-finished product has been worked (direction of
rolling, extrusion, etc., as appropriate), and
— the unique identification of each of the specimens.
The unique mark or identification of each specimen shall be maintained at each stage of its preparation.
This may be applied using any reliable method in an area not likely to disappear during machining or
likely to adversely affect the quality of the test. Upon completion of the machining process, it is desirable
for both ends of each specimen to be uniquely marked so that, after failure of a specimen, each half can
still be identified.
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7.3 Machining procedure
7.3.1 Heat treatment of test material
The heat treatment is generally performed on a rough machined specimen. Then final machining
followed by polishing should be performed on the specimen to remove any deformation of the specimen
due to the heat treatment process. If that is not possible, the heat treatment should be carried out in a
vacuum or in inert gas to prevent oxidation of the specimen. Subsequent stress relieving is recommended
in this case. The stress relieving treatment shall not alter the micro-structural characteristic of the
material under study. The specifics of the heat treatment and machining procedure shall be reported
with the test results.
7.3.2 Machining criteria
The machining procedure selected may produce residual stresses on the specimen surface likely to
affect the test results. These stresses may be induced by heat gradients at the machining stage or they
may be associated with deformation of the material or micro-structural alterations. Their influence
is less marked in tests at elevated temperatures because they are partially or totally relaxed once the
temperature is attained. However, they should be reduced by using an appropriate final machining
procedure, especially prior to a final polishing stage. For harder materials, grinding rather than turning
or milling may be preferred.
— Grinding: from 0,1 mm above the final diameter, at a rate of no more than 0,005 mm/pass.
— Polishing: remove the final 0,025 mm with abrasives of decreasing grit size. The final direction of
polishing shall be along the test specimen axis.
The phenomenon of alteration in the microstructure of the material may be caused by the increase
in temperature and by the strain hardening induced by machining. It may be a matter of a change in
phase or, more frequently, of surface re-crystallization. The immediate effect of this is to make the test
specimen no longer representative of the initial material. Hence, every precaution should therefore be
taken to avoid this risk.
Contaminants can be introduced when the mechanical properties of certain materials deteriorate in
the presence of certain elements or compounds. An example of this is the effect of chlorine on steels and
titanium alloys. These elements should therefore be avoided in the products used (cutting fluids, etc.).
Rinsing and degreasing of specimens prior to storage is also recommended.
7.3.3 Surface condition of specimens
The surface condition of specimens influences the test results. This influence is generally associated
with one or more of the following factors:
— the specimen surface roughness;
— the presence of residual stresses;
— alteration in the microstructure of the material;
— the introduction of contaminants.
The recommendations below allow the influence of these factors to be reduced to a minimum.
The surface condition is commonly quantified by the mean roughness or equivalent (e.g. 10 point
roughness or maximum height of irregularities). The importance of this variable on the results obtained
depends largely on the test conditions, and its influence is reduced by surface corrosion of the specimen
or plastic deformation.
It is preferable, whatever the test conditions, to specify a mean surface roughness, Ra, of less than
0,2 μm (or equivalent).
Another important parameter not covered by mean roughness is the presence of localized machining
scratches. A low-magnification check (at approximately × 20) shall not show any circumferential
scratches or abnormalities.
With specimens having tangentially blended fillets, often an undercut is observed at the transition from
the radius of the fillet to the cylindrical test section. This undercut may lead to a preferred failure of the
specimen in this area. The undercut can't easily be measured but can be found by visible inspection of
the reflections on the surface under a flat angle. No visible undercut shall be allowed.
If specimens are not manufactured according to the procedures defined in 7.3.2 or if there are doubts
about the correct machining, it is recommended to measure or evaluate:
— residual stress state, preferably a profile of residual stress over depth;
— surface roughness profile;
— surface hardness;
and state the values observed together with the test results in order to facilitate definite interpretation
of the test results.
7.3.4 Dimensional checks
The diameter shall be measured on each specimen. In the case of specimens with a parallel gauge
length, the diameter shall be measured at a minimum of three positions along the gauge length. The
measurement shall be performed using a method that does not damage the specimen.
7.4 Storage and handling
After preparation, the specimens shall be stored in such a way to prevent any risk of damage (scratching
by contact, oxidation, etc.). The use of individual boxes or tubes with end caps is recommended. In
certain cases, storage in a vacuum or in a desiccator containing silica gel may be necessary.
Handling shall be reduced to the minimum necessary. In all instances, the gauge length or test section
should not be touched. However, if this happens, cleaning the specimen with alcohol is allowed.
8 Accuracy of the testing apparatus
A number of different types of rotating bending fatigue machine are used. Figures 1 to 7 show the
principles of the main types of machine. Figure 10 shows the schematic of a kind of rotating bending
fatigue machine. Its operation shall satisfy the following requirement: the accuracy of the applied
bending moment shall be within 1 % (see Annex A).
10 © ISO 2021 – All rights reserved
Key
1 motor 10 specimen
2 triangle belt 11 right main axis box
3 weight 12 hanging hook
4 boom 13 pointer
5 button 14 balance weight
6 counting accelerator 15 counter
7 soft axis 16 lever
8 left main axis box 17 hand wheel
9 split collet
Figure 10 — Schematic of a rotating bend fatigue machine
9 Heating device and temperature measurement
9.1 The specimen is heated with a furnace or equivalent device.
9.2 The temperature of the specimen shall be kept uniform throughout the test, complying with the
limits defined in 10.5.3.
9.3 To measure or record temperature, the thermocouple, compensating wire, and controlling and
measuring temperature meter that are used shall be calibrated together as a system. The calibration
interval shall be in accordance with the product standard, and good metrological practice.
9.4 The temperature indicator shall have a resolution of at least 0,5 °C and the temperature measuring
equipment shall have an accuracy of ±1 °C.
10 Test procedure
10.1 Mounting the specimen
Each specimen shall be mounted in the test machine such that stresses at the test section (other than
those imposed by the applied force) are avoided. If the bearings transmitting the force are secured to
the specimen by means of split collets, in certain cases it may be desirable for these to be positioned and
fully tightened before the specimen is mounted in the test machine, in order to prevent an initial torsion
strain being imparted. A similar practice may be necessary if the method of securing is by means of an
interference fit.
To avoid vibration during the test, alignment of the specimen and the driving shaft of the test machine
shall be maintained within close limits. Permissible tolerances are ±0,025 mm at the chuck end
and ±0,013 mm at the free end for single-point and some types of two-point loading test machines.
For other types of rotating bending fatigue test machines, the permissible tolerance on eccentricity
measured at two places along the actual test section shall not be greater than ±0,013 mm. The required
degree of alignment shall be established before applying any force.
NOTE These measurements are typically made using a dial gauge.
10.2 Application of force
The lever ratio shall be calibrated according to Annex A. The specific formula to calculate the force or
the mass in bending conditions for a given stress is generally given in the user manual of the rotating
bar bending machine. The calculated test force could be according to Table 2.
The set-up of force level F:
— is direct for Direct Force systems;
— is obtained by mass equal to F divided by the level ratio M for Fixed ratio lever;
lr
— is obtained adjusting F on the force scale on the lever for lever and balance machines.
Table 2 — Calculation of force to be applied to test machine loading system
Machine type F
Single-point bending –
πd
parallel specimen (Figure 1,) or F = S
32 Lx−
()
hourglass specimen (Figure 3)
Single-point bending – tapered specimen
27.π DD− .DL −−LD D
() ()()
12 10 12
FS = .
Figure 2
128.L
Two-point bending (Figure 4, Figure 6)
πd
or
F = S
32L
F
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 1143
Troisième édition
2021-07
Matériaux métalliques — Essais
de fatigue par flexion rotative de
barreaux
Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing
Numéro de référence
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 2
5 Principe de l'essai .3
6 Forme et dimension de l'éprouvette . 3
6.1 Formes de la section soumise à essai . 3
6.2 Dimensions des éprouvettes . 9
7 Préparation des éprouvettes .10
7.1 Généralités . 10
7.2 Choix de l'éprouvette et marquage . 10
7.3 Procédure d'usinage . 10
7.3.1 Traitement thermique du matériau d'essai . 10
7.3.2 Critères d'usinage . 11
7.3.3 État de surface des éprouvettes . 11
7.3.4 Contrôle dimensionnel .12
7.4 Stockage et manutention .12
8 Exactitude de l'appareillage d'essai .12
9 Dispositif de chauffage et mesure de la température .13
10 Procédure d'essai .13
10.1 Montage l'éprouvette .13
10.2 Application de la force . 14
10.3 Choix de la fréquence .15
10.4 Fin de l'essai .15
10.5 Procédure d'essai à température élevée. 15
11 Rapport d'essai .16
12 Présentation des résultats d'essai de fatigue .17
12.1 Présentation sous forme de tableau . 17
12.2 Présentation graphique . 17
13 Incertitude de mesure.18
13.1 Généralités . 18
13.2 Conditions d'essai . 19
13.3 Résultats d'essai . 19
Annexe A (normative) Vérification du moment de flexion des machines de fatigue par
flexion rotative de barreaux .20
Annexe B (informative) Exemple de rapport d'essai .28
Bibliographie .29
iii
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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,
sous-comité SC 4, Essais de fatigue, de fracture et de ténacité.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 1143:2010), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Les principales modifications par rapport à l'édition précédente sont les suivantes :
— un nouvel Article 13, Incertitude de mesure, a été ajouté ;
— une nouvelle Annexe B, Exemple de rapport d'essai, a été ajoutée.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
NORME INTERNATIONALE ISO 1143:2021(F)
Matériaux métalliques — Essais de fatigue par flexion
rotative de barreaux
AVERTISSEMENT — Le présent document n'aborde pas les problèmes de sécurité et de santé, si
de tels problèmes existent, qui peuvent être liés à son utilisation ou son application. Il est de la
responsabilité de l'utilisateur du présent document d'établir toutes les questions appropriées en
matière de sécurité et de santé, et de déterminer l'applicabilité des limitations réglementaires
nationales ou locales eu égard à l'utilisation du présent document.
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie la méthode d'essai de fatigue par flexion rotative de barreaux en
matériaux métalliques. Les essais sont réalisés à température ambiante ou à température élevée dans
l'air, l'éprouvette étant mise en rotation.
Les essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes entaillées ne sont pas couverts par le présent
document, étant donné que leur forme et leur taille n'ont pas été normalisées. Toutefois, les procédures
d'essai de fatigue décrites dans le présent document peuvent être appliquées aux essais de fatigue des
éprouvettes entaillées.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 376, Matériaux métalliques — Étalonnage des instruments de mesure de force utilisés pour la
vérification des machines d'essais uniaxiaux
ISO 1099, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par force axiale contrôlée
ISO 12106, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par déformation axiale contrôlée
ISO 12107, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Programmation et analyse statistique de données
ISO 23718, Matériaux métalliques — Essais mécaniques — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l'ISO 1099, l'ISO 12106, l'ISO 12107,
l'ISO 23718 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 https:// www .electropedia .org/ .
3.1
fatigue
processus de variations des propriétés dont peut faire l'objet un matériau métallique en raison de
l'application répétée de contraintes et qui peuvent donner lieu à une fissuration ou une défaillance
3.2
durée de vie en fatigue
N
f
nombre de cycles appliqués pour atteindre un critère de défaillance défini
3.3
courbe S-N
courbe présentant la relation entre contrainte et durée de vie en fatigue (3.2)
3.4
moment de flexion
M
multiplication de la force par la longueur d'un bras de levier à la température d'essai
3.5
module d'inertie
W
rapport du moment d'inertie de la section transversale d'une poutre sous flexion sur la plus grande
distance d'un élément de la poutre par rapport à l'axe neutre
3.6
rapport de levier de la machine
M
lr
rapport entre la force appliquée au support des masses et le moment de flexion (3.4) appliqué à
l'éprouvette
3.7
longueur du bras de levier
L
distance entre le point d’application de la charge et le point de chargement
Note 1 à l'article: Voir Figures 1 à 7.
Note 2 à l'article: Étant donné que ces distances sont des longueurs de bras de levier, L = L = L.
1 2
4 Symboles
Les symboles et leurs désignations correspondantes sont donnés dans le Tableau 1
Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
D Diamètre de la tête d’amarrage ou extrémité chargée de mm
l'éprouvette
d Diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale mm
L Longueur du bras de levier mm
M Moment de flexion N·mm
M Rapport de levier de la machine /
lr
N Durée de vie en fatigue, nombre de cycles jusqu'à la cycle
f
défaillance
r Rayon aux extrémités de la section d'essai où com- mm
mence la transition à partir du diamètre de l'éprouvette
d'essai, d
W Module d'inertie mm
5 Principe de l'essai
Des éprouvettes nominalement identiques sont utilisées, chacune faisant l'objet d'une rotation et étant
soumise à un moment de flexion constant. Les forces donnant lieu au moment de flexion ne font pas
l'objet d'une rotation. L'éprouvette peut être montée en porte-à-faux, avec application de la charge
en un point ou en deux points, ou en poutre, avec application de la charge en quatre points. L'essai se
poursuit tant que l'éprouvette n'a pas fait l'objet d'une défaillance ou qu'un nombre prédéterminé de
cycles de contrainte n'a pas été atteint, un cycle de contrainte correspondant à une rotation complète
de l'éprouvette.
6 Forme et dimension de l'éprouvette
6.1 Formes de la section soumise à essai
La section soumise à essai peut être
a) cylindrique, avec des congés se raccordant tangentiellement aux deux extrémités (voir la Figure 1,
la Figure 4 et la Figure 5),
b) tronconique (voir la Figure 2), ou
c) de type toroïdale (voir la Figure 3, la Figure 6 et la Figure 7).
NOTE Un volume de matériau est soumis à essai dans la partie calibrée d'une éprouvette cylindrique
dans des conditions de charge à deux et à quatre points. Ce volume est uniformément soumis à une contrainte
maximale. Pour toutes les autres conditions de charge pour les éprouvettes cylindriques et pour les éprouvettes
toroïdales, seul un mince élément plan du matériau est soumis à la contrainte maximale au niveau de la section
transversale minimale.
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est r rayon (voir Tableau 1)
maximale
F force appliquée S contrainte
L longueur du bras de levier x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette
entre la face d'appui fixe et le plan de contrainte
maximale
Figure 1 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en un point
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette
entre la face d'appui fixe et le plan de contrainte
maximale
L longueur du bras de levier
Figure 2 — Éprouvette tronconique — Application de la charge en un point
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette
entre la face d'appui fixe et le plan de contrainte
maximale
L longueur du bras de levier
r rayon (voir Tableau 1)
Figure 3 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en un point
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée r rayon (voir Tableau 1)
L longueur du bras de levier
Figure 4 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en deux points
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée r rayon (voir Tableau 1)
L , L longueur du bras de levier
1 2
NOTE L = L = L
1 2
Figure 5 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en quatre points
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée L longueur du bras de levier
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est M moment de flexion
maximale
F force appliquée S contrainte
r rayon (voir Tableau 1)
Figure 6 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en deux points
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale
F force appliquée
L , L longueur du bras de levier
1 2
M moment de flexion
r rayon (voir Tableau 1)
S contrainte
NOTE L = L = L.
1 2
Figure 7 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en quatre points
Dans chaque cas, la section soumise à essai doit être de section circulaire. Des formes d'éprouvette
cylindriques ou toroïdales classiques et les dimensions associées sont présentées sur les Figures 8 et 9,
respectivement.
Légende
n repère d'éprouvette
a rugosité
b tolérance géométrique
Figure 8 — Éprouvette lisse cylindrique
Légende
n repère d'éprouvette
a rugosité
b tolérance géométrique
Figure 9 — Éprouvette toroïdale cylindrique
La forme de la section soumise à essai peut dépendre du type d'application de charge utilisé. Si les
éprouvettes cylindriques ou toroïdales peuvent être chargées en poutre ou en porte-à-faux avec
application de la charge en un ou deux points, les éprouvettes tronconiques ne peuvent être utilisées
qu'en porte-à-faux avec application de charge en un seul point. Les Figures 1 à 7 présentent, sous la
forme d'un schéma, le moment de flexion et les diagrammes de contraintes nominales pour les différents
cas pratiques.
Les volumes de matériau soumis aux contraintes maximales ne sont pas les mêmes selon les formes
d'éprouvette, et ils peuvent ne pas nécessairement donner des résultats identiques. L'essai dans lequel
le volume le plus important de matériau est soumis aux plus fortes contraintes est l'essai recommandé.
Il convient d'être très prudent en cas d'utilisation de machines avec application de la charge en un seul
point. L'un des principaux inconvénients est que le moment de flexion n'est pas constant le long de
l'éprouvette. La section où la contrainte est maximale et la contrainte correspondante dépendent non
seulement de la géométrie de l'éprouvette mais aussi de la longueur du bras de levier. Pour ce type de
machines, une géométrie d'éprouvette cylindrique toroïdale est recommandée car la contrainte la plus
élevée est proche de celle qui est calculée pour la section de diamètre minimal.
L'expérience a montré qu'il est recommandé d'avoir un rapport d'au moins 2:1 entre les aires de la
section transversale des têtes d’amarrage et la partie testée de l'éprouvette. Les mâchoires qui ne
conduisent pas à une grande zone de concentration de contraintes sont recommandées.
Dans les essais réalisés sur certains matériaux, une combinaison de forte contrainte et de vitesse élevée
peut provoquer un échauffement excessif de l'éprouvette. Cet effet peut être réduit en sollicitant un plus
petit volume de matériau ou en diminuant la fréquence d'essai (voir 10.3). Si l'éprouvette est refroidie, il
convient de consigner le moyen utilisé.
6.2 Dimensions des éprouvettes
La taille, la forme et la tolérance de diamètre de toutes les éprouvettes utilisées dans une série d'essais
pour la détermination de la durée de vie en fatigue doivent être identiques.
Pour calculer la force à appliquer pour obtenir la contrainte exigée, le diamètre minimal réel de chaque
éprouvette doit être mesuré à 0,01 mm près. Lors du mesurage de l'éprouvette avant l'essai, il faut
veiller à ne pas endommager la surface.
Sur les éprouvettes cylindriques soumises à un moment de flexion constant (voir Figures 4 et 5), la
section calibrée soumise à essai doit l'être à 0,025 mm près. Pour les autres formes d'éprouvette
cylindrique (voir la Figure 1), la section calibrée soumise à essai doit l'être à 0,05 mm près. Pour la
détermination des propriétés du matériau, il convient que le rayon des congés de raccordement aux
extrémités de la section soumise à essai ne soit pas inférieur à 3d. Pour les éprouvettes toroïdales, il
convient que le rayon de la section formée par le rayon continu ne soit pas inférieur à 5d.
La Figure 8 présente la forme et les dimensions d'une éprouvette cylindrique classique. Les valeurs
recommandées de d sont de 6 mm, 7,5 mm et 9,5 mm. Il convient que la tolérance du diamètre soit
de 0,005d. La Figure 9 présente une éprouvette toroïdale classique pour les essais de fatigue à
température élevée.
7 Préparation des éprouvettes
7.1 Généralités
Dans un programme d'essais de fatigue par flexion rotative de barreaux destiné à caractériser les
propriétés intrinsèques d'un matériau, il est important d'observer les recommandations suivantes lors
de la préparation des éprouvettes. Une dérogation à ces recommandations peut avoir pour raison le fait
que le programme d'essais vise à déterminer l'influence d'un facteur particulier (traitement de surface,
oxydation, etc.) incompatible avec les recommandations. Dans tous les cas, cette dérogation doit être
signalée dans le rapport d'essai.
7.2 Choix de l'éprouvette et marquage
L'échantillonnage des prélèvements à partir d'un produit semi-fini ou d'un composant peut avoir
une influence majeure sur les résultats d’essai obtenus. Il est donc nécessaire de consigner cet
échantillonnage et d'établir un schéma d'échantillonnage. Cela doit faire partie du rapport d'essai et
doit indiquer clairement
— la position de chacune des éprouvettes prélevées du produit semi-fini ou du composant,
— les directions caractéristiques selon lesquelles le produit semi-fini a été fabriqué (sens de roulis,
extrusion, etc., selon le cas), et
— l'identification unique de chacune des éprouvettes.
Le repère ou l'identification unique de chaque éprouvette doit être conservé à chaque étape de sa
préparation. Il peut être marqué selon une méthode fiable dans une zone qui n'est pas susceptible de
disparaître pendant l'usinage ou d'avoir un impact négatif sur la qualité de l'essai. À l'issue du processus
d'usinage, il est souhaitable de marquer sans équivoque les deux extrémités de chaque éprouvette de
manière à toujours pouvoir identifier chaque moitié après rupture d'une éprouvette.
7.3 Procédure d'usinage
7.3.1 Traitement thermique du matériau d'essai
Le traitement thermique est généralement effectué sur une éprouvette n'ayant fait l'objet que d'un
usinage d'ébauche. Il convient ensuite d'effectuer un usinage de finition suivi d'un polissage de
l'éprouvette, afin d'éliminer toute déformation de l'éprouvette due au traitement thermique. Si cela
s'avère impossible, il convient de procéder au traitement thermique sous vide ou sous gaz inerte pour
éviter l'oxydation de l'éprouvette. Dans ce cas, il est recommandé de procéder ensuite à une relaxation
des contraintes. Ce traitement de relaxation des contraintes ne doit pas modifier les caractéristiques
microstructurales du matériau à l'étude. Les spécificités du traitement thermique et la procédure
d'usinage doivent être consignées avec les résultats d'essai.
7.3.2 Critères d'usinage
La procédure d'usinage choisie peut générer des contraintes résiduelles en surface de l'éprouvette
susceptibles d'avoir un impact sur les résultats d'essai. Ces contraintes peuvent être induites par des
gradients thermiques au stade de l'usinage ou peuvent être liées à la déformation du matériau ou à
des modifications microstructurales. Leur influence est moins marquée dans les essais à températures
élevées, car elles sont en partie ou totalement relâchées dès que la température est atteinte. Toutefois, il
convient de les réduire en utilisant une procédure d'usinage de finition appropriée, en particulier avant
le polissage final. Pour les matériaux plus durs, une rectification peut s'avérer préférable au tournage
ou au fraisage.
— Rectification : à partir de 0,1 mm au-dessus du diamètre final, à une vitesse maximale de 0,005 mm/
passe.
— Polissage : retirer les derniers 0,025 mm avec des abrasifs de granulométrie décroissante. Le sens
final de polissage doit être dans la direction de l'axe de l'éprouvette d'essai.
Le phénomène de modification de la microstructure du matériau peut être provoqué par l'augmentation
de température et par l'écrouissage induit par l'usinage. Il peut s'agir d'un changement de phase ou,
plus fréquemment, d'une recristallisation en surface. Cela a pour conséquence immédiate de rendre
l'éprouvette d'essai plus du tout représentative du matériau initial. Il convient donc de prendre toutes
les précautions pour éviter ce risque.
Des produits contaminants peuvent être introduits lorsque les propriétés mécaniques de certains
matériaux se dégradent en présence de certains éléments ou composés. Il s'agit, par exemple, de
l'influence du chlore sur les aciers et les alliages de titane. Il convient donc d'éviter la présence de ces
éléments dans les produits utilisés (fluides de coupe, etc.). Il est également recommandé de rincer et de
dégraisser les éprouvettes avant stockage.
7.3.3 État de surface des éprouvettes
L'état de surface des éprouvettes a un effet sur les résultats d'essai. Cette influence est en général
associée à un ou plusieurs des facteurs suivants :
— la rugosité de surface de l'éprouvette ;
— la présence de contraintes résiduelles ;
— la modification de la microstructure du matériau ;
— l'apport de produits contaminants.
Les recommandations ci-dessous permettent de réduire le plus possible l'influence de ces facteurs.
L'état de surface est souvent quantifié par la rugosité moyenne ou équivalente (rugosité à 10 points
ou hauteur maximale des irrégularités, par exemple). L'importance de cette variable sur les résultats
obtenus dépend largement des conditions d'essai, et son influence est réduite par la corrosion de surface
de l'éprouvette ou la déformation plastique.
Quelles que soient les conditions d'essai, il est préférable de spécifier une rugosité de surface
moyenne, Ra, inférieure à 0,2 µm (ou équivalente).
Un autre paramètre important non couvert par la rugosité moyenne est la présence de rayures
d'usinage localisées. Un contrôle à faible grossissement (à environ × 20) ne doit révéler aucune rayure
circonférentielle ni anomalie.
Avec les éprouvettes à congés se raccordant tangentiellement, un caniveau est souvent observé au
niveau du raccordement du rayon du congé et de la section soumise à essai cylindrique. Ce caniveau
peut favoriser la défaillance de l'éprouvette dans cette zone. Le caniveau ne peut pas être aisément
mesuré, mais il peut être détecté par un examen visuel des reflets selon un angle rectiligne. Aucun
caniveau visible ne doit être admis.
Si les éprouvettes ne sont pas fabriquées selon les procédures définies en 7.3.2 ou en cas de doute quant
à l'usinage correct, il est recommandé de mesurer ou d'évaluer :
— l'état de contrainte résiduelle, de préférence un profil ou une contrainte résiduelle sur la profondeur ;
— le profil de rugosité de surface ;
— la dureté de surface ;
et d'indiquer les valeurs observées avec les résultats d'essai afin de faciliter l'interprétation définitive
des résultats d'essai.
7.3.4 Contrôle dimensionnel
Le diamètre doit être mesuré sur chaque éprouvette. Dans le cas des éprouvettes avec une longueur
cylindrique calibrée, le diamètre doit être mesuré en au moins trois positions sur la longueur calibrée.
Le mesurage doit être réalisé selon une méthode qui n'abîme pas l'éprouvette.
7.4 Stockage et manutention
Après préparation, les éprouvettes doivent être stockées de manière à éviter tout risque de dommage
(rayure par contact, oxydation, etc.). L'utilisation de boîtiers individuels ou de tubes munis de capuchons
est recommandée. Dans certains cas, un stockage sous vide ou dans un dessiccateur contenant du gel de
silice peut être nécessaire.
La manutention doit être réduite au minimum nécessaire. Dans tous les cas, il convient de ne pas
toucher la longueur calibrée ou la section soumise à essai. Toutefois, si cela se produit, l'éprouvette peut
être nettoyée avec de l'alcool.
8 Exactitude de l'appareillage d'essai
Un certain nombre de types différents de machines de fatigue par flexion rotative de barreaux sont
utilisés. La Figure 1 à la Figure 7 donnent les principes des principaux types de machines. La Figure 10
présente le schéma d'un type de machine de fatigue par flexion rotative de barreaux. Son fonctionnement
doit satisfaire aux exigences suivantes : l'exactitude du moment de flexion appliqué doit être dans les
limites de 1 % (voir Annexe A).
Légende
1 moteur 10 éprouvette
2 courroie triangulaire 11 système d’amarrage de droite sur l'axe principal
3 poids 12 crochet de suspension
4 flèche 13 aiguille
5 interrupteur 14 poids d'équilibrage
6 amplificateur de comptage 15 compteur
7 cardan 16 levier
8 système d’amarrage de gauche sur l'axe principal 17 roue de réglage manuel
9 pince fendue
Figure 10 — Schéma d'une machine de fatigue par flexion rotative
9 Dispositif de chauffage et mesure de la température
9.1 L'éprouvette est chauffée dans un four ou un dispositif équivalent.
9.2 La température de l'éprouvette doit rester uniforme tout au long de l'essai, en satisfaisant aux
limites définies en 10.5.3.
9.3 Pour mesurer ou enregistrer la température, le thermocouple, le fil compensateur et le
thermomètre de contrôle et de mesure utilisés doivent être étalonnés en tant que système. L'intervalle
d'étalonnage doit satisfaire à la norme de produit et aux bonnes pratiques métrologiques.
9.4 La résolution de l'indicateur de température doit être d'au moins 0,5 °C et l’exactitude de
l'équipement de mesurage de la température doit être de ±1 °C.
10 Procédure d'essai
10.1 Montage l'éprouvette
Chaque éprouvette doit être montée sur la machine d'essai de manière à éviter les contraintes sur la
section soumise à essai (autres que celles imposées par la force appliquée). Si les paliers transmettant
la force sont fixés à l'éprouvette au moyen de pinces fendues, il peut être souhaitable, dans certains cas,
de mettre en place et de bien serrer ces pinces avant de monter l'éprouvette dans la machine d'essai afin
d'éviter une contrainte de torsion initiale. Il peut s'avérer nécessaire d'agir de même si la fixation de
l'éprouvette se fait par ajustement serré.
Pour éviter les vibrations au cours de l'essai, l'alignement de l'éprouvette et de l'arbre de commande
de la machine d'essai doit être maintenu dans d'étroites limites. Les tolérances admissibles sont
de ±0,025 mm à l'extrémité fixée et de ±0,013 mm à l'extrémité libre pour les machines d'essai à
application de la charge en un point ou pour certains types de machines à application de la charge en
deux points. Pour les autres types de machines d'essais de fatigue par flexion rotative, la tolérance
d'excentricité admissible mesurée en deux points le long de la section effectivement soumise à essai ne
doit pas dépasser ±0,013 mm. Le degré d'alignement exigé doit être établi avant d'appliquer une force.
NOTE Ces mesurages sont en général réalisés à l'aide d'un comparateur à cadran.
10.2 Application de la force
Le rapport de levier doit être étalonné conformément à l'Annexe A. La formule spécifique permettant
de calculer la force ou la masse à appliquer est en général indiquée dans le manuel d'utilisation de la
machine de flexion rotative des barreaux. La force d'essai calculée peut être conforme au Tableau 2.
La configuration du niveau de force F :
— est directe pour les systèmes à force directe ;
— s'obtient à partir d'une masse égale à F divisée par le rapport de levier M pour un levier à rapport
lr
fixe ;
— s'obtient en réglant F sur l'échelle de forces du levier pour les machines à levier et les machines à
équilibre.
Tableau 2 — Calcul de la force à appliquer au système d'application de la charge de la machine
d'essai
Type de machine F
Flexion à un seul point –
πd
éprouvette parallèle (Figure 1) ou F = S
32()Lx−
éprouvette toroïdale (Figure 3)
Flexion à un seul point – éprouvette tronco-
27.π ()DD− .()DL −−LD()D
12 10 12
nique
FS = .
128.L
Figure 2
Flexion à deux points (Figure 4, Figure 6)
πd
ou
F = S
32L
Flexion à quatre points (Figure 5, Figure 7)
où
S est la contrainte d'essai exigée ;
F est la force appliquée ;
L est la longueur du bras de levier (voir A.4.2) ;
d est le diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale ;
x est la distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette entre la face d'appui fixe et le plan de contrainte maximale.
La procédure générale permettant d'obtenir un état de fonctionnement en pleine force doit être la
même pour chaque éprouvette. La machine d'essai doit être mise sous tension et la vitesse souhaitée
être atteinte avant d'appliquer la force. La force doit ensuite être appliquée par incrément ou en continu
tant que la valeur exigée n'a pas été atteinte, sans choc ni impact, et aussi rapidement que possible.
La vitesse de fonctionnement peut faire l'objet de petits ajustements si une fréquence particulière est
[3]
exigée .
10.3 Choix de la fréquence
La fréquence choisie doit être adaptée à la combinaison particulière du matériau, de l'éprouvette et de
la machine d'essai. Il convient que la vitesse d'essai soit la même pour une même série d'essais. Il est
nécessaire d'éviter les vibrations anormales de l'éprouvette lors de l'essai.
Pour les essais à haute température, la température doit rester dans les limites de la fluctuation de
température admissible spécifiée au point 10.5.3.
Les essais sont en général réalisés à une fréquence comprise entre 15 Hz et 200 Hz (c'est-à-dire
entre 900 tr/min et 12 000 tr/min).
Aux hautes fréquences, un autoéchauffement de l'éprouvette peut se produire et peut avoir un impact
sur la durée de vie en fatigue obtenue. Si un autoéchauffement se produit, il est conseillé de réduire
la fréquence d'essai. Dans le cadre d'un essai à température ambiante, il convient de surveiller et de
consigner l'autoéchauffement de l'éprouvette. Si la température de l'éprouvette dépasse 35 °C, elle doit
être mesurée et signalée. Il convient que la température de l'éprouvette ne dépasse pas les valeurs dans
les limites desquelles elle n'a aucun impact sur le comportement en fatigue du matériau soumis à essai.
En cas de doute, des essais de référence à fréquence et température inférieures doivent être réalisés
pour démontrer qu'il n'y a aucun impact sur la fréquence et la température d'essai.
NOTE Si l'environnement a un impact important, le résultat d'essai est susceptible de dépendre de la
fréquence.
10.4 Fin de l'essai
L'essai se poursuit jusqu'à la défaillance de l'éprouvette ou tant que le nombre exigé de cycles n'a pas été
7 8
atteint (10 ou 10 , par exemple). Si l'emplacement de la défaillance est hors de la longueur calibrée de
l'éprouvette, le résultat d'essai est considéré invalide.
10.5 Procédure d'essai à température élevée
10.5.1 Compte tenu de la nature de l'essai de fatigue par flexion rotative de barreaux, la température
peut ne pas pouvoir être mesurée directement. Si c'est le cas, il est essentiel de procéder à un mesurage
indirect de la température, étalonné de manière statique.
10.5.2 Pour mesurer la température de l'éprouvette, trois approches sont possibles.
La première approche, qui est la méthode préférentielle, utilise un mesurage indirect, c'est-à-dire que
le bout du thermocouple n'est pas en contact direct avec la surface de l'éprouvette, mais reste à une
distance de 1 mm à 2 mm de celle-ci. Si cette méthode est utilisée, le laboratoire doit établir une relation
entre la température de surface de l'éprouvette et celle qui est indiquée par le thermocouple de mesure.
Cette relation doit être utilisée pour déduire un facteur de correction afin d'établir la température de
l'éprouvette.
La seconde approche utilise un mesurage direct, c'est-à-dire que le bout du thermocouple est en contact
direct avec la surface de l'éprouvette. L'utilisation de cette approche exige d'arrêter régulièrement la
machine d'essai, de retirer la charge et de mesurer la température de la surface de l'éprouvette.
La troisième approche consiste en un étalonnage statique du dispositif de chauffage. Cet étalonnage
est réalisé à l'aide d'une éprouvette à soumettre à essai (de mêmes géométrie et matériau) à l'aide de
thermocouples soudés en son centre :
— un thermocouple pour l'éprouvette toroïdale ;
— deux thermocouples pour l'éprouvette cylindrique de section calibrée inférieure à 15 mm (placés
à 1/3 et à 2/3 de la longueur) ;
— trois thermocouples pour l'éprouvette cylindrique de section calibrée supérieure à 15 mm (placés
au milieu, à 1/3 et à 2/3 de la longueur).
Cette méthode a pour objet d'établir la relation entre la température de l'éprouvette et la température
du four. Les mesurages doivent être consignés.
Pendant l'essai, la température du four est surveillée pour s'assurer que la température de l'éprouvette
est conforme aux conditions d'essai.
NOTE 1 Selon le matériau, en cas d'autoéchauffement de l'éprouvette pendant l'essai, cette méthode n'est pas
adaptée au contrôle de la température d'essai.
NOTE 2 Un thermocouple de référence positionné en un point fixe à l'intérieur du four, près de la surface
de l'éprouvette, permet de détecter et de mesurer les dérives de température ainsi que l'autoéchauffement de
l'éprouvette pour information.
10.5.3 L'éprouvette doit être chauffée à la température spécifiée et stabilisée pendant environ une
demi-heure avant de commencer l'essai. Sur l'ensemble du cycle d'essai, la fluctuation de la température
indiquée de l'éprouvette doit être inférieure à la plus grande des deux valeurs parmi 3 °C et ±0,6 % de la
température d'essai en degrés Celsius (°C).
La température (gradient) de la section soumise à essai de l'éprouvette sur la longueur du corps du four
ne doit pas dépasser 15 °C.
L'établissement du gradient sur la longueur calibrée de l'éprouvette dépend en général de la machine.
Une approche consiste à utiliser une éprouvette avec trois thermocouples sur la longueur entre repères,
insérés dans la machine d'essai. Le four et les thermocouples de contrôle/surveillance sont installés
et le four chauffé à la température d'essai. Lorsque le four est stabilisé à la température exigée, les
températures sont mesurées et un gradient déduit.
10.5.4 Il convient que le dispositif de mesure de la température soit stable dans les limites de ±1 °C sur
toutes les variations de température ambiante.
Toute dérive de la température de consigne doit être détectée et mesurée (voir 10.5.2). Pour les essais au
cours desquels il se produit des dérives de la température de consigne et donc de celle de l'éprouvette, la
validité du résultat doit être déterminée par rapport à l'ISO 12107.
11 Rapport d'essai
Le rapport d'essai de fatigue doit comporter les éléments obligatoires ci-après :
a) le matériau soumis à essai et ses caractéristiques métallurgiques — il peut généralement être fait
référence aux spécifications appropriées selon lesquelles le matériau a été produit ;
b) la méthode de mise sous contrainte et le type de machine utilisé ;
c) le type, les dimensions et l'état de surface de l'éprouvette et les points d'application de la charge ;
d) la fréquence des cycles de contrainte ;
e) les températures d'essai et la température de l'éprouvette en cas d'autoéchauffement (c'est-à-dire
une température supérieure à 35 °C) ;
f) les valeurs quotidiennes maximale et minimale de la température de l'air et de l'humidité relative ;
6 7 8
g) le critère de fin d'essai, c'est-à-dire sa durée (10 , 10 , 10 cycles, par exemple), la rupture complète
de l'éprouvette ou d'autres critères de défaillance ;
h) tous les écarts par rapport aux conditions exigées pendant l'essai ;
i) le résultat d'essai.
Des informations facultatives concernant l'essai de fatigue peuvent être ajoutées dans le rapport d'essai.
Les informations facultatives doivent être claire
...
Date : 2021-07
ISO/TC 164/SC 4
Date : 2021-07
Secrétariat : ANSI
Matériaux métalliques — Essais de fatigue par flexion rotative de barreaux
Metallic materials — Rotating bar bending fatigue testing
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E-mail : copyright@iso.orgcopyright@iso.org
Web : www.iso.orgWeb : www.iso.org
Publié en Suisse
Sommaire Page
Avant-propos . 6
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 2
5 Principe de l'essai . 3
6 Forme et dimension de l'éprouvette . 3
6.1 Formes de la section soumise à essai . 3
6.2 Dimensions des éprouvettes .1 1
7 Préparation des éprouvettes . 12
7.1 Généralités .1 2
7.2 Choix de l'éprouvette et marquage .1 2
7.3 Procédure d'usinage .1 2
7.3.1 Traitement thermique du matériau d'essai .1 2
7.3.2 Critères d'usinage .1 3
7.3.3 État de surface des éprouvettes .1 3
7.3.4 Contrôle dimensionnel .1 4
7.4 Stockage et manutention .1 4
8 Exactitude de l'appareillage d'essai . 14
9 Dispositif de chauffage et mesure de la température . 15
10 Procédure d'essai . 16
10.1 Montage l'éprouvette .1 6
10.2 Application de la force .1 6
10.3 Choix de la fréquence .1 7
10.4 Fin de l'essai .1 7
10.5 Procédure d'essai à température élevée .1 8
11 Rapport d'essai . 19
12 Présentation des résultats d'essai de fatigue . 19
12.1 Présentation sous forme de tableau .1 9
12.2 Présentation graphique .1 9
13 Incertitude de mesure . 21
13.1 Généralités .2 1
13.2 Conditions d'essai .2 1
13.3 Résultats d'essai .2 1
Annexe A (normative) Vérification du moment de flexion des machines de fatigue par flexion rotative
de barreaux . 22
Annexe B (informative) Exemple de rapport d'essai . 31
Bibliographie . 32
Avant-propos v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 2
5 Principe de l'essai . 3
6 Forme et dimension de l'éprouvette . 3
6.1 Formes de la section soumise à essai . 3
6.2 Dimensions des éprouvettes .1 1
7 Préparation des éprouvettes . 12
7.1 Généralités .1 2
7.2 Choix de l'éprouvette et marquage .1 2
7.3 Procédure d'usinage .1 2
7.3.1 Traitement thermique du matériau d'essai .1 2
7.3.2 Critères d'usinage .1 3
7.3.3 État de surface des éprouvettes .1 3
7.3.4 Contrôle dimensionnel .1 4
7.4 Stockage et manutention .1 4
8 Exactitude de l'appareillage d'essai . 14
9 Dispositif de chauffage et mesure de la température . 15
10 Procédure d'essai . 16
10.1 Montage l'éprouvette .1 6
10.2 Application de la force .1 6
10.3 Choix de la fréquence .1 7
10.4 Fin de l'essai .1 7
10.5 Procédure d'essai à température élevée .1 8
11 Rapport d'essai . 19
12 Présentation des résultats d'essai de fatigue . 19
12.1 Présentation sous forme de tableau .1 9
12.2 Présentation graphique .1 9
13 Incertitude de mesure . 21
13.1 Généralités .2 1
13.2 Conditions d'essai .2 1
13.3 Résultats d'essai .2 1
Annexe A (normative) Vérification du moment de flexion des machines de fatigue par flexion
rotative de barreaux . 22
Annexe B (informative) Exemple de rapport d'essai . 31
Bibliographie . 32
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 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 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.
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spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir le lien suivant : www.iso.org/iso/fr/avant-proposwww.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été préparéélaboré par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des
métaux, sous-comité SC 4, Essais de fatigue, de fracture et de ténacité.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 1143:2010), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Les principales modifications par rapport à l'édition précédente sont les suivantes :
— un nouvel Article 13, Incertitude de mesure, a été ajouté ;
— une nouvelle Annexe B, Exemple de rapport d'essai, a été ajoutée.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.htmlwww.iso.org/fr/members.html.
NORME INTERNATIONALE ISO 1143:2021(F)
Matériaux métalliques — Essais de fatigue par flexion rotative de barreaux
AVERTISSEMENT Le présent document n'aborde pas les problèmes de sécurité et de santé, si de tels
problèmes existent, qui peuvent être liés à son utilisation ou son application. Il est de la responsabilité de
l'utilisateur du présent document d'établir toutes les questions appropriées en matière de sécurité et de
santé, et de déterminer l'applicabilité des limitations réglementaires nationales ou locales eu égard à
l'utilisation du présent document.
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie la méthode d'essai de fatigue par flexion rotative de barreaux en matériaux
métalliques. Les essais sont réalisés à température ambiante ou à température élevée dans l'air, l'éprouvette
étant mise en rotation.
Les essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes entaillées ne sont pas couverts par le présent document,
étant donné que leur forme et leur taille n'ont pas été normalisées. Toutefois, les procédures d'essai de
fatigue décrites dans le présent document peuvent être appliquées aux essais de fatigue des éprouvettes
entaillées.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 376, Matériaux métalliques — Étalonnage des instruments de mesure de force utilisés pour la vérification
des machines d'essais uniaxiaux
ISO 1099, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par force axiale contrôlée
ISO 12106, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par déformation axiale contrôlée
ISO 12107, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Programmation et analyse statistique de données
ISO 23718, Matériaux métalliques — Essais mécaniques — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l'ISO 1099, l'ISO 12106, l'ISO 12107,
l'ISO 23718 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/obphttps://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia : disponible à l'adresse
https://www.electropedia.org/https://www.electropedia.org/.
3.1
fatigue
processus de variations des propriétés dont peut faire l'objet un matériau métallique en raison de
l'application répétée de contraintes et qui peuvent donner lieu à une fissuration ou une défaillance
3.2
durée de vie en fatigue
N
f
nombre de cycles appliqués pour atteindre un critère de défaillance défini
3.3
courbe S-N
courbe présentant la relation entre contrainte et durée de vie en fatigue (3.2)
3.4
moment de flexion
M
multiplication de la force par la longueur d'un bras de levier à la température d'essai
3.5
module d'inertie
W
rapport du moment d'inertie de la section transversale d'une poutre sous flexion sur la plus grande distance
d'un élément de la poutre par rapport à l'axe neutre
3.6
rapport de levier de la machine
M
lr
rapport entre la force appliquée au support des masses et le moment de flexion (3.4) appliqué à l'éprouvette
3.7
longueur du bras de levier
L
distance entre le point d’application de la charge et le point de chargement
Note 1 à l'article : : Voir Figures 1 à 7.
Note 2 à l'article :: Étant donné que ces distances sont des longueurs de bras de levier, L = L = L.
1 2
4 Symboles
Les symboles et leurs désignations correspondantes sont donnés dans le Tableau 1
2 © ISO 2021 – Tous droits réservés
Tableau 1 — Symboles
Symbole Désignation Unité
D Diamètre de la tête d’amarrage ou extrémité chargée de mm
l'éprouvette
d Diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale mm
L Longueur du bras de levier mm
M Moment de flexion Nmm
M Rapport de levier de la machine /
lr
N Durée de vie en fatigue, nombre de cycles jusqu'à la cycle
f
défaillance
r Rayon aux extrémités de la section d'essai où mm
commence la transition à partir du diamètre de
l'éprouvette d'essai, d
W Module d'inertie mm
5 Principe de l'essai
Des éprouvettes nominalement identiques sont utilisées, chacune faisant l'objet d'une rotation et étant
soumise à un moment de flexion constant. Les forces donnant lieu au moment de flexion ne font pas l'objet
d'une rotation. L'éprouvette peut être montée en porte-à-faux, avec application de la charge en un point ou
en deux points, ou en poutre, avec application de la charge en quatre points. L'essai se poursuit tant que
l'éprouvette n'a pas fait l'objet d'une défaillance ou qu'un nombre prédéterminé de cycles de contrainte n'a
pas été atteint, un cycle de contrainte correspondant à une rotation complète de l'éprouvette.
6 Forme et dimension de l'éprouvette
6.1 Formes de la section soumise à essai
La section soumise à essai peut être
a) cylindrique, avec des congés se raccordant tangentiellement aux deux extrémités (voir la Figure 1, la
Figure 4 et la Figure 5),
b) tronconique (voir la Figure 2), ou
c) de type toroïdale (voir la Figure 3, la Figure 6 et la Figure 7).
NOTE Un volume de matériau est soumis à essai dans la partie calibrée d'une éprouvette cylindrique dans des
conditions de charge à deux et à quatre points. Ce volume est uniformément soumis à une contrainte maximale. Pour
toutes les autres conditions de charge pour les éprouvettes cylindriques et pour les éprouvettes toroïdales, seul un
mince élément plan du matériau est soumis à la contrainte maximale au niveau de la section transversale minimale.
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est r rayon (voir Tableau 1)
maximale
F force appliquée S contrainte
L longueur du bras de levier x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette entre la
face d'appui fixe et le plan de contrainte maximale
Figure 1 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en un point
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Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette entre la
face d'appui fixe et le plan de contrainte maximale
L longueur du bras de levier
Figure 2 — Éprouvette tronconique — Application de la charge en un point
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée x distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette entre la
face d'appui fixe et le plan de contrainte maximale
L longueur du bras de levier
r rayon (voir Tableau 1)
Figure 3 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en un point
6 © ISO 2021 – Tous droits réservés
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée r rayon (voir Tableau 1)
L longueur du bras de levier
Figure 4 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en deux points
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée M moment de flexion
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est S contrainte
maximale
F force appliquée r rayon (voir Tableau 1)
L , L longueur du bras de levier
1 2
NOTE L = L = L
1 2
Figure 5 — Éprouvette cylindrique — Application de la charge en quatre points
Légende
8 © ISO 2021 – Tous droits réservés
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée L longueur du bras de levier
de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est M moment de flexion
maximale
F force appliquée S contrainte
r rayon (voir Tableau 1)
Figure 6 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en deux points
Légende
D diamètre de la tête d’amarrage ou chargée de l'éprouvette
d diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale
F force appliquée
L1, L2 longueur du bras de levier
M moment de flexion
r rayon (voir Tableau 1)
S contrainte
NOTE L1 = L2 = L.
Figure 7 — Éprouvette toroïdale — Application de la charge en quatre points
Dans chaque cas, la section soumise à essai doit être de section circulaire. Des formes d'éprouvette
cylindriques ou toroïdales classiques et les dimensions associées sont présentées sur les Figures 8 et 9,
respectivement.
Légende
n repère d'éprouvette
a rugosité
b tolérance géométrique
Figure 8 — Éprouvette lisse cylindrique
10 © ISO 2021 – Tous droits réservés
Légende
n repère d'éprouvette
a rugosité
b tolérance géométrique
Figure 9 — Éprouvette toroïdale cylindrique
La forme de la section soumise à essai peut dépendre du type d'application de charge utilisé. Si les
éprouvettes cylindriques ou toroïdales peuvent être chargées en poutre ou en porte-à-faux avec application
de la charge en un ou deux points, les éprouvettes tronconiques ne peuvent être utilisées qu'en porte-à-faux
avec application de charge en un seul point. Les Figures 1 à 7 présentent, sous la forme d'un schéma, le
moment de flexion et les diagrammes de contraintes nominales pour les différents cas pratiques.
Les volumes de matériau soumis aux contraintes maximales ne sont pas les mêmes selon les formes
d'éprouvette, et ils peuvent ne pas nécessairement donner des résultats identiques. L'essai dans lequel le
volume le plus important de matériau est soumis aux plus fortes contraintes est l'essai recommandé.
Il convient d'être très prudent en cas d'utilisation de machines avec application de la charge en un seul point.
L'un des principaux inconvénients est que le moment de flexion n'est pas constant le long de l'éprouvette.
La section où la contrainte est maximale et la contrainte correspondante dépendent non seulement de la
géométrie de l'éprouvette mais aussi de la longueur du bras de levier. Pour ce type de machines, une
géométrie d'éprouvette cylindrique toroïdale est recommandée car la contrainte la plus élevée est proche
de celle qui est calculée pour la section de diamètre minimal.
L'expérience a montré qu'il est recommandé d'avoir un rapport d'au moins 2:1 entre les aires de la section
transversale des têtes d’amarrage et la partie testée de l'éprouvette. Les mâchoires qui ne conduisent pas à
une grande zone de concentration de contraintes sont recommandées.
Dans les essais réalisés sur certains matériaux, une combinaison de forte contrainte et de vitesse élevée
peut provoquer un échauffement excessif de l'éprouvette. Cet effet peut être réduit en sollicitant un plus
petit volume de matériau ou en diminuant la fréquence d'essai (voir 10.3). Si l'éprouvette est refroidie, il
convient de consigner le moyen utilisé.
6.2 Dimensions des éprouvettes
La taille, la forme et la tolérance de diamètre de toutes les éprouvettes utilisées dans une série d'essais pour
la détermination de la durée de vie en fatigue doivent être identiques.
Pour calculer la force à appliquer pour obtenir la contrainte exigée, le diamètre minimal réel de chaque
éprouvette doit être mesuré à 0,01 mm près. Lors du mesurage de l'éprouvette avant l'essai, il faut veiller à
ne pas endommager la surface.
Sur les éprouvettes cylindriques soumises à un moment de flexion constant (voir Figures 4 et 5), la section
calibrée soumise à essai doit l'être à 0,025 mm près. Pour les autres formes d'éprouvette cylindrique (voir
la Figure 1), la section calibrée soumise à essai doit l'être à 0,05 mm près. Pour la détermination des
propriétés du matériau, il convient que le rayon des congés de raccordement aux extrémités de la section
soumise à essai ne soit pas inférieur à 3d. Pour les éprouvettes toroïdales, il convient que le rayon de la
section formée par le rayon continu ne soit pas inférieur à 5d.
La Figure 8 présente la forme et les dimensions d'une éprouvette cylindrique classique. Les valeurs
recommandées de d sont de 6 mm, 7,5 mm et 9,5 mm. Il convient que la tolérance du diamètre soit
de 0,005d. La Figure 9 présente une éprouvette toroïdale classique pour les essais de fatigue à température
élevée.
7 Préparation des éprouvettes
7.1 Généralités
Dans un programme d'essais de fatigue par flexion rotative de barreaux destiné à caractériser les propriétés
intrinsèques d'un matériau, il est important d'observer les recommandations suivantes lors de la
préparation des éprouvettes. Une dérogation à ces recommandations peut avoir pour raison le fait que le
programme d'essais vise à déterminer l'influence d'un facteur particulier (traitement de surface, oxydation,
etc.) incompatible avec les recommandations. Dans tous les cas, cette dérogation doit être signalée dans le
rapport d'essai.
7.2 Choix de l'éprouvette et marquage
L'échantillonnage des prélèvements à partir d'un produit semi-fini ou d'un composant peut avoir une
influence majeure sur les résultats d’essai obtenus. Il est donc nécessaire de consigner cet échantillonnage
et d'établir un schéma d'échantillonnage. Cela doit faire partie du rapport d'essai et doit indiquer clairement
— la position de chacune des éprouvettes prélevées du produit semi-fini ou du composant,
— les directions caractéristiques selon lesquelles le produit semi-fini a été fabriqué (sens de roulis,
extrusion, etc., selon le cas), et
— l'identification unique de chacune des éprouvettes.
Le repère ou l'identification unique de chaque éprouvette doit être conservé à chaque étape de sa
préparation. Il peut être marqué selon une méthode fiable dans une zone qui n'est pas susceptible de
disparaître pendant l'usinage ou d'avoir un impact négatif sur la qualité de l'essai. À l'issue du processus
d'usinage, il est souhaitable de marquer sans équivoque les deux extrémités de chaque éprouvette de
manière à toujours pouvoir identifier chaque moitié après rupture d'une éprouvette.
7.3 Procédure d'usinage
7.3.1 Traitement thermique du matériau d'essai
Le traitement thermique est généralement effectué sur une éprouvette n'ayant fait l'objet que d'un usinage
d'ébauche. Il convient ensuite d'effectuer un usinage de finition suivi d'un polissage de l'éprouvette, afin
d'éliminer toute déformation de l'éprouvette due au traitement thermique. Si cela s'avère impossible, il
convient de procéder au traitement thermique sous vide ou sous gaz inerte pour éviter l'oxydation de
l'éprouvette. Dans ce cas, il est recommandé de procéder ensuite à une relaxation des contraintes. Ce
traitement de relaxation des contraintes ne doit pas modifier les caractéristiques microstructurales du
matériau à l'étude. Les spécificités du traitement thermique et la procédure d'usinage doivent être
consignées avec les résultats d'essai.
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7.3.2 Critères d'usinage
La procédure d'usinage choisie peut générer des contraintes résiduelles en surface de l'éprouvette
susceptibles d'avoir un impact sur les résultats d'essai. Ces contraintes peuvent être induites par des
gradients thermiques au stade de l'usinage ou peuvent être liées à la déformation du matériau ou à des
modifications microstructurales. Leur influence est moins marquée dans les essais à températures élevées,
car elles sont en partie ou totalement relâchées dès que la température est atteinte. Toutefois, il convient de
les réduire en utilisant une procédure d'usinage de finition appropriée, en particulier avant le polissage
final. Pour les matériaux plus durs, une rectification peut s'avérer préférable au tournage ou au fraisage.
— Rectification : à partir de 0,1 mm au-dessus du diamètre final, à une vitesse maximale
de 0,005 mm/passe.
— Polissage : retirer les derniers 0,025 mm avec des abrasifs de granulométrie décroissante. Le sens final
de polissage doit être dans la direction de l'axe de l'éprouvette d'essai.
Le phénomène de modification de la microstructure du matériau peut être provoqué par l'augmentation de
température et par l'écrouissage induit par l'usinage. Il peut s'agir d'un changement de phase ou, plus
fréquemment, d'une recristallisation en surface. Cela a pour conséquence immédiate de rendre l'éprouvette
d'essai plus du tout représentative du matériau initial. Il convient donc de prendre toutes les précautions
pour éviter ce risque.
Des produits contaminants peuvent être introduits lorsque les propriétés mécaniques de certains matériaux
se dégradent en présence de certains éléments ou composés. Il s'agit, par exemple, de l'influence du chlore
sur les aciers et les alliages de titane. Il convient donc d'éviter la présence de ces éléments dans les produits
utilisés (fluides de coupe, etc.). Il est également recommandé de rincer et de dégraisser les éprouvettes
avant stockage.
7.3.3 État de surface des éprouvettes
L'état de surface des éprouvettes a un effet sur les résultats d'essai. Cette influence est en général associée
à un ou plusieurs des facteurs suivants :
— la rugosité de surface de l'éprouvette ;
— la présence de contraintes résiduelles ;
— la modification de la microstructure du matériau ;
— l'apport de produits contaminants.
Les recommandations ci-dessous permettent de réduire le plus possible l'influence de ces facteurs.
L'état de surface est souvent quantifié par la rugosité moyenne ou équivalente (rugosité à 10 points ou
hauteur maximale des irrégularités, par exemple). L'importance de cette variable sur les résultats obtenus
dépend largement des conditions d'essai, et son influence est réduite par la corrosion de surface de
l'éprouvette ou la déformation plastique.
Quelles que soient les conditions d'essai, il est préférable de spécifier une rugosité de surface moyenne Ra
inférieure à 0,2 µm (ou équivalente).
Un autre paramètre important non couvert par la rugosité moyenne est la présence de rayures d'usinage
localisées. Un contrôle à faible grossissement (à environ × 20) ne doit révéler aucune rayure
circonférentielle ni anomalie.
Avec les éprouvettes à congés se raccordant tangentiellement, un caniveau est souvent observé au niveau
du raccordement du rayon du congé et de la section soumise à essai cylindrique. Ce caniveau peut favoriser
la défaillance de l'éprouvette dans cette zone. Le caniveau ne peut pas être aisément mesuré, mais il peut
être détecté par un examen visuel des reflets selon un angle rectiligne. Aucun caniveau visible ne doit être
admis.
Si les éprouvettes ne sont pas fabriquées selon les procédures définies en 7.3.2 ou en cas de doute quant à
l'usinage correct, il est recommandé de mesurer ou d'évaluer :
— l'état de contrainte résiduelle, de préférence un profil ou une contrainte résiduelle sur la profondeur ;
— le profil de rugosité de surface ;
— la dureté de surface ;
et d'indiquer les valeurs observées avec les résultats d'essai afin de faciliter l'interprétation définitive des
résultats d'essai.
7.3.4 Contrôle dimensionnel
Le diamètre doit être mesuré sur chaque éprouvette. Dans le cas des éprouvettes avec une longueur
cylindrique calibrée, le diamètre doit être mesuré en au moins trois positions sur la longueur calibrée. Le
mesurage doit être réalisé selon une méthode qui n'abîme pas l'éprouvette.
7.4 Stockage et manutention
Après préparation, les éprouvettes doivent être stockées de manière à éviter tout risque de dommage
(rayure par contact, oxydation, etc.). L'utilisation de boîtiers individuels ou de tubes munis de capuchons
est recommandée. Dans certains cas, un stockage sous vide ou dans un dessiccateur contenant du gel de
silice peut être nécessaire.
La manutention doit être réduite au minimum nécessaire. Dans tous les cas, il convient de ne pas toucher la
longueur calibrée ou la section soumise à essai. Toutefois, si cela se produit, l'éprouvette peut être nettoyée
avec de l'alcool.
8 Exactitude de l'appareillage d'essai
Un certain nombre de types différents de machines de fatigue par flexion rotative de barreaux sont utilisés.
La Figure 1 à la Figure 7 donnent les principes des principaux types de machines. La Figure 10 présente le
schéma d'un type de machine de fatigue par flexion rotative de barreaux. Son fonctionnement doit satisfaire
aux exigences suivantes : l'exactitude du moment de flexion appliqué doit être dans les limites de 1 % (voir
Annexe A).
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Légende
1 moteur 10 éprouvette
2 courroie triangulaire 11 système d’amarrage de droite sur l'axe principal
3 poids 12 crochet de suspension
4 flèche 13 aiguille
5 interrupteur 14 poids d'équilibrage
6 amplificateur de comptage 15 compteur
7 cardan 16 levier
8 système d’amarrage de gauche sur l'axe principal 17 roue de réglage manuel
9 pince fendue
Figure 10 — Schéma d'une machine de fatigue par flexion rotative
9 Dispositif de chauffage et mesure de la température
9.1 L'éprouvette est chauffée dans un four ou un dispositif équivalent.
9.2 La température de l'éprouvette doit rester uniforme tout au long de l'essai, en satisfaisant aux limites
définies en 10.5.3.
9.3 Pour mesurer ou enregistrer la température, le thermocouple, le fil compensateur et le thermomètre de
contrôle et de mesure utilisés doivent être étalonnés en tant que système. L'intervalle d'étalonnage doit
satisfaire à la norme de produit et aux bonnes pratiques métrologiques.
9.4 La résolution de l'indicateur de température doit être d'au moins 0,5 °C et l’exactitude de l'équipement
de mesurage de la température doit être de ±1 °C.
10 Procédure d'essai
10.1 Montage l'éprouvette
Chaque éprouvette doit être montée sur la machine d'essai de manière à éviter les contraintes sur la section
soumise à essai (autres que celles imposées par la force appliquée). Si les paliers transmettant la force sont
fixés à l'éprouvette au moyen de pinces fendues, il peut être souhaitable, dans certains cas, de mettre en
place et de bien serrer ces pinces avant de monter l'éprouvette dans la machine d'essai afin d'éviter une
contrainte de torsion initiale. Il peut s'avérer nécessaire d'agir de même si la fixation de l'éprouvette se fait
par ajustement serré.
Pour éviter les vibrations au cours de l'essai, l'alignement de l'éprouvette et de l'arbre de commande de la
machine d'essai doit être maintenu dans d'étroites limites. Les tolérances admissibles sont de ±0,025 mm à
l'extrémité fixée et de ±0,013 mm à l'extrémité libre pour les machines d'essai à application de la charge en
un point ou pour certains types de machines à application de la charge en deux points. Pour les autres types
de machines d'essais de fatigue par flexion rotative, la tolérance d'excentricité admissible mesurée en deux
points le long de la section effectivement soumise à essai ne doit pas dépasser ±0,013 mm. Le degré
d'alignement exigé doit être établi avant d'appliquer une force.
NOTE Ces mesurages sont en général réalisés à l'aide d'un comparateur à cadran.
10.2 Application de la force
Le rapport de levier doit être étalonné conformément à l'Annexe A. La formule spécifique permettant de
calculer la force ou la masse à appliquer est en général indiquée dans le manuel d'utilisation de la machine
de flexion rotative des barreaux. La force d'essai calculée peut être conforme au Tableau 2.
La configuration du niveau de force F :
— est directe pour les systèmes à force directe ;
— s'obtient à partir d'une masse égale à F divisée par le rapport de levier Mlr pour un levier à rapport fixe ;
— s'obtient en réglant F sur l'échelle de forces du levier pour les machines à levier et les machines à
équilibre.
Tableau 2 — Calcul de la force à appliquer au système d'application de la charge de la machine
d'essai
Type de machine F
Flexion à un seul point –
éprouvette parallèle (Figure 1) ou πd
F = S
éprouvette toroı̈dale (Figure 3) 32(Lx− )
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Flexion à un seul point – éprouvette 2
27.π . D −D . D L −L. D −D
( )( ( ))
12 1 0 12
tronconique
FS = .
128.L
Figure 2 0
Flexion à deux points (Figure 4, Figure 6)
ou πd
F = S
32L
Flexion à quatre points (Figure 5,
Figure 7)
où
S est la contrainte d'essai exigée ;
F est la force appliquée ;
L est la longueur du bras de levier (voir A.4.3) ;
d est le diamètre de l'éprouvette où la contrainte est maximale.
x est la distance mesurée le long de l'axe de l'éprouvette entre la face d'appui fixe et le plan de contrainte maximale.
La procédure générale permettant d'obtenir un état de fonctionnement en pleine force doit être la même
pour chaque éprouvette. La machine d'essai doit être mise sous tension et la vitesse souhaitée être atteinte
avant d'appliquer la force. La force doit ensuite être appliquée par incrément ou en continu tant que la
valeur exigée n'a pas été atteinte, sans choc ni impact, et aussi rapidement que possible. La vitesse de
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fonctionnement peut faire l'objet de petits ajustements si une fréquence particulière est exigée .
10.3 Choix de la fréquence
La fréquence choisie doit être adaptée à la combinaison particulière du matériau, de l'éprouvette et de la
machine d'essai. Il convient que la vitesse d'essai soit la même pour une même série d'essais. Il est
nécessaire d'éviter les vibrations anormales de l'éprouvette lors de l'essai.
Pour les essais à haute température, la température doit rester dans les limites de la fluctuation de
température admissible spécifiée au point 10.5.3.
Les essais sont en général réalisés à une fréquence comprise entre 15 Hz et 200 Hz (c'est-à-dire
entre 900 tr/min et 12 000 tr/min).
Aux hautes fréquences, un autoéchauffement de l'éprouvette peut se produire et peut avoir un impact sur
la durée de vie en fatigue obtenue. Si un autoéchauffement se produit, il est conseillé de réduire la fréquence
d'essai. Dans le cadre d'un essai à température ambiante, il convient de surveiller et de consigner
l'autoéchauffement de l'éprouvette. Si la température de l'éprouvette dépasse 35 °C, elle doit être mesurée
et signalée. Il convient que la température de l'éprouvette ne dépasse pas les valeurs dans les limites
desquelles elle n'a aucun impact sur le comportement en fatigue du matériau soumis à essai. En cas de doute,
des essais de référence à fréquence et température inférieures doivent être réalisés pour démontrer qu'il
n'y a aucun impact sur la fréquence et la température d'essai.
NOTE Si l'environnement a un impact important, le résultat d'essai est susceptible de dépendre de la fréquence.
10.4 Fin de l'essai
L'essai se poursuit jusqu'à la défaillance de l'éprouvette ou tant que le nombre exigé de cycles n'a pas été
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atteint (10 ou 10 , par exemple). Si l'emplacement de la défaillance est hors de la longueur calibrée de
l'éprouvette, le résultat d'essai est considéré invalide.
...
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