Toughness of round steel link chains -- Test with sub-size specimens

ISO/TR 21704:2017 contains investigations and investigation results on toughness of round steel link chains, tested with sub-size specimens. It applies to round steel link chains for hand operated chain hoists of grade TH and VH and for sling chains used for chain slings of grade 8. NOTE 1 Associated International Standards are ISO 16877, ISO 16872 and ISO 3076. In future it is intended to implement the results on toughness derived in this document in new standards. Eleven steels, provided by four manufacturers, were tested to find a test regime on sub-size specimens and requirements on the notch impact toughness values at design temperature which resulted out of the tests. These requirements are adjusted to the toughness values of full size ISO-V specimens. NOTE 2 The requirements are also valid for other cross sections of the chain than round.

Résilience des chaînes à maillons en acier rond -- Essai sur des éprouvettes sous-dimensionnées

ISO/TR 21704:2017 décrit les investigations et les résultats d'investigation sur la résilience des chaînes ŕ maillons en acier rond soumises ŕ l'essai avec des éprouvettes sous-dimensionnées. Il s'applique aux chaînes ŕ maillons en acier rond pour palans ŕ chaîne manuels de classes TH et VH et aux chaînes d'élingage utilisées dans les élingues en chaînes de classe 8. NOTE 1 Les Normes internationales associées sont l'ISO 16877, l'ISO 16872 et l'ISO 3076. Il est prévu d'intégrer par la suite les résultats de résilience décrits dans le présent document aux nouvelles normes publiées. Onze aciers fournis par quatre fabricants ont été soumis ŕ l'essai afin de définir un régime d'essai pour les éprouvettes sous-dimensionnées et les exigences relatives aux valeurs de la résilience au choc sur entaille ŕ la température de service qui ont découlé de ces essais. Ces exigences ont été ajustées aux valeurs de résilience des éprouvettes ISO-V en grandeur réelle. NOTE 2 Les exigences sont également valables pour des maillons de section autre que ronde.

General Information

Status
Published
Publication Date
12-Jan-2017
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
29-Dec-2016
Completion Date
13-Jan-2017
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Technical report
ISO/TR 21704:2017 - Toughness of round steel link chains -- Test with sub-size specimens
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ISO/TR 21704:2017 - Résilience des chaînes a maillons en acier rond -- Essai sur des éprouvettes sous-dimensionnées
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 21704
First edition
2017-02
Toughness of round steel link
chains — Test with sub-size specimens
Ténacité de la chaînes en acier rond — Essai avec les éprouvettes
sous-dimensionnées
Reference number
ISO/TR 21704:2017(E)
ISO 2017
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 21704:2017(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2017, Published in Switzerland

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ii © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 21704:2017(E)
Contents Page

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

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

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

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

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

4 Abbreviated terms .............................................................................................................................................................................................. 1

5 Target objective ..................................................................................................................................................................................................... 2

6 Chain manufacturers ........................................................................................................................................................................................ 2

7 Tested chain steels .............................................................................................................................................................................................. 2

8 Equipment, specimen geometry and sampling .................................................................................................................... 3

9 Results ............................................................................................................................................................................................................................. 4

9.1 Notch impact energy temperature of the tested steels ........................................................................................ 4

9.2 Comparison of the test results and test equipment of manufacturer 1 and

manufacturer 2 ....................................................................................................................................................................................... 4

9.3 Conversion of the characteristic values determined at sub-size notch impact specimens ... 4

9.4 Validation of the conversion ........................................................................................................................................................ 5

9.5 Scatter of the notch impact energy values determined with sub-size specimens ........................ 5

9.6 Brittle fracture transition temperature ............................................................................................................................. 6

10 Specimen extension ........................................................................................................................................................................................... 7

10.1 Laser welding ........................................................................................................................................................................................... 7

10.2 Friction welding ..................................................................................................................................................................................... 7

10.3 Extended super sub-size notch impact specimens .................................................................................................. 7

11 Derivation of the toughness criteria for characteristic values determined with sub-

size notch impact specimens ................................................................................................................................................................... 8

12 Characteristic values of the round steel link chains from manufacturer M3 and M4 ..................9

12.1 Manufacturer M3................................................................................................................................................................................... 9

12.2 Manufacturer M4................................................................................................................................................................................... 9

13 Characteristic values of the sub-size notch impact specimens, temperature and

notch impact energy ......................................................................................................................................................................................... 9

14 Requirements to the characteristic toughness values of the sub-size and the super

sub-size notch impact specimens ....................................................................................................................................................10

15 Status of international standardization ....................................................................................................................................11

Annex A (informative) Figures .................................................................................................................................................................................12

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................43

© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO/TR 21704:2017(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

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The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

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This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 111, Round steel link chains, chain

slings, components and accessories, Subcommittee SC 1, Chains and chain slings.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 21704:2017(E)
Introduction

This document provides the results of testing on the toughness of round steel chains.

In an initial study programme, the fundamental effects on the load bearing capacity of round steel

chains were examined. The material strength and material toughness along with the temperature

were incorporated in the tests. The tests were conducted on chains 16 x 48 and the specimens taken

from these. To determine the toughness of sub-size round steel link chains, the required tests were

performed with sub-size notch impact specimens that were taken from the unwelded legs of the chains.

The safety of round steel link chains was examined in detail in a load bearing concept and in a brittle

fraction transition temperature concept, see Figure A.1. Temperatures and minimum notch impact

energy values were determined using fracture mechanics methods, with the aim of ensuring sufficient

load bearing capacity for a damaged chain at design temperature. These tests and their results are

documented in ISO/TR 23602.
© ISO 2017 – All rights reserved v
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 21704:2017(E)
Toughness of round steel link chains — Test with sub-size
specimens
1 Scope

This document contains investigations and investigation results on toughness of round steel link

chains, tested with sub-size specimens.

It applies to round steel link chains for hand operated chain hoists of grade TH and VH and for sling

chains used for chain slings of grade 8.

NOTE 1 Associated International Standards are ISO 16877, ISO 16872 and ISO 3076. In future it is intended to

implement the results on toughness derived in this document in new standards.

Eleven steels, provided by four manufacturers, were tested to find a test regime on sub-size specimens

and requirements on the notch impact toughness values at design temperature which resulted out of

the tests. These requirements are adjusted to the toughness values of full size ISO-V specimens.

NOTE 2 The requirements are also valid for other cross sections of the chain than round.

2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.

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

— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
4 Abbreviated terms
(Bb) width x height of the ligament of full size ISO-V specimens
full
(Bb) width x height of the ligament of sub-size specimens
sub

C , C correlation factors of the cross section of sub-size to full size specimens

1 2

DBTT ductile-brittle transition temperature calculated for full size ISO-V specimens

full-size
DBTT ductile-brittle transition temperature tested with sub-size specimens
sub-size
E design energy at T (design notch impact energy at T )
D D D
E calculated energy of full size ISO-V specimens
full
Ei energy upon reaching the maximum force in the instrumented notch impact test
Ei Ei of sub-size specimens
sub
Ep energy component after exceeding the maximum force in the instrumented notch
impact test
Ep Ep of sub-size specimens
sub
E total energy: Ei + Ep
tot
© ISO 2017 – All rights reserved 1
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ISO/TR 21704:2017(E)

FATT fracture appearance transition temperature; temperature at which the 50 % NCA

occurs

NCA non crystalline area of fracture surface; ductile fracture component of the frac-

ture surface
SUS sub-size notch impact specimen
SSUS super sub-size notch impact specimen
T design temperature

T nil ductility transition temperature; brittle fracture transition temperature, refer-

NDT

ence value from Pellini tests, in the instrumented notch impact test determined with

the crack arresting force (see ISO/TR 23602)
T temperature at ½ (USE); temperature at half upper shelf notch impact energy
½ (USE)
USE upper shelf energy; upper shelf notch impact energy
α slope of regression curve for the calculation of DBTT
full-size

β calculated shift of temperatures associated with the energy values, sub-size to full

size specimens (° C)
5 Target objective

The toughness characteristic values determined with sub-size notch impact specimens are very

small in absolute terms (<5 J) and differ only to a minor extent. As a result, a transition function of

the characteristic values determined at the sub-size specimens had to be derived to the values of

standard ISO-V specimens. The aim was therefore to transfer the toughness requirements obtained for

standard ISO-V specimens in ISO/TR 23602 at the lowest permissible application temperature of the

corresponding chains to characteristic values of the sub-size specimens. Only in this way the aim of

evaluating the chain safety can be attained with sub-size specimen characteristic values.

6 Chain manufacturers

Four chain manufacturers took part in the tests in respect to the toughness of round steel link chains.

The results from three manufacturers were incorporated in this report. These are as follows:

Manufacturer 1: Symbol R
Manufacturer 2: Symbol K
Manufacturer 3: Symbol M3
Manufacturer 4: Symbol M4
7 Tested chain steels

The following different chain steels, provided by four manufacturers, were included in these

toughness tests.

T (R) NiCrMo-alloyed steel with high upper shelf energy and very low brittle fracture transition

temperature, round steel link chains of grade 8
TH (R) Manganese-boron steel (MnB), round steel link chains of grade 8

VH (R) MnB-steel, model material, lower bound condition of upper shelf energy and high brittle

fracture transition temperature, round steel link chains of grade 10
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 21704:2017(E)
TH (K) MnB-steel, standard round steel link chains of grade 8
VH (K) MnB-steel, standard round steel link chains of grade 10

V* (R) NiCrMo-alloyed chain steel with excellent low-temperature toughness, round steel link chains

of a material with an ultimate tensile strength higher than 1500 MPa
The chain steels used by manufacturer M3 involve
Grade 8 NiCrMo-alloyed steel
Grade 10 NiCrMo-alloyed steel
The chain steels used by manufacturer M4 involve
Grade 8 MnB and NiCrMo-alloyed steel
Grade 10 NiCrMo-alloyed steel

The chains and chain steels T (R), TH (R), VH (R) were already incorporated in the fracture mechanics

tests, ISO/TR 23602.

These steels comprise a wide range of toughness with different material strength, in particular in the

transition area of the notch impact energy temperature curves.
8 Equipment, specimen geometry and sampling

The standard notch impact specimens (ISO-V) were tested in a pendulum impact testing machine

with a maximum fall energy of 300 J, see Figure A.2. The peen of the hammer is instrumented with

a strain gauge for determining the force-time curve, see Figure A.3. The integration yields the force-

displacement curve whose integral is the fracture energy (notch impact energy) corresponding to

the tested specimen. The test results (notch impact energy values) were read off directly at the drag

pointer of the pendulum impact testing machine and in addition were determined by calculating the

notch impact energy from the force-displacement curve. The measuring amplifier and the entire data

logging system for recording the force-time progression were calibrated before each test series.

A pendulum impact testing machine with a maximum energy of 15 J was used for testing the sub-size

notch impact specimen, see Figure A.4a). Here too, the hammer peen was instrumented with strain

gauges, see Figure A.4b) and Figure A.4e). The anvil of the pendulum impact testing machine is shown

in Figure A.4c). The amplifier and entire data logging system were calibrated before each test series,

see Figure A.4d). During the tests on this pendulum impact testing machine, two energy values each

were also determined: read off from the drag pointer and calculated from the force-displacement curve.

The specimens were either heated or cooled in liquid nitrogen in order to set different test temperatures.

The required test temperature was monitored using thermocouples.

Another option for determining the notch impact energy of sub-size specimens is provided by the drop

weight test, see Figure A.5. Here too, the measuring system and amplifier were calibrated before each

test series. It is not possible to read off the impact energy from a drag pointer with this test method.

The value calculated via integration can only be utilized.

The results of both test methods with sub-size specimens reveal a good correspondence, see

Figures A.12 to A.14 and 9.2. To this end, the tests were conducted with the pendulum impact testing

machine (R) and with the drop weight device (K).

The notch impact specimens were taken from the unwelded legs of round steel link chain links. The

specimen location in a chain link of dimension 16 x 48 and the specimen dimensions in accordance with

ISO 148-1 for the standard ISO-V specimens can be seen in Figure A.6. The same applies for the sub-size

notch impact specimen in accordance with ISO 14556 in Figure A.7. The width of the ligament of the

© ISO 2017 – All rights reserved 3
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ISO/TR 21704:2017(E)

ISO-V specimen is 8 mm, that of the sub-size specimen only 3 mm. The ligament areas therefore differ

2 2
correspondingly from 80 mm to 9 mm .

The small ligament area leads to extremely low energy values upon fracture of the sub-size specimen. A

plane stress state at the notched tip of the sub-size specimen results from the width of only 3 mm, while

the conditions of the plane strain state are essentially attained under bending load at the notched tip of

the ISO-V specimen. Schematic notch impact energy temperature curves of standard ISO-V and sub-size

notch impact specimens are illustrated in Figure A.8. The lower energy values of the sub-size specimen

– ligament size – and the shift of the brittle fracture transition temperature ∆T to lower temperatures

are characteristic. This predominantly results from the stress state.

An image comparison of all tested specimens from super sub-size notch impact specimens, sub-size

notch impact specimens to standard ISO-V specimens is shown in Figure A.9. The super sub-size notch

impact specimen is described in 10.3.
9 Results
9.1 Notch impact energy temperature of the tested steels

All notch impact energy temperature curves determined by manufacturer 1 (R) are shown in

Figure A.10. They comprise a wide toughness range exhibited by the tested steels. VH (R) is a model

material with extremely low toughness for the investigation of the lower limit behaviour. The notch

impact energy upper shelf is 60 J and the T is 30° C. The materials TH (K), TH (R) and VH (K) are

NDT

typical chain steels. The round steel link chains made from these steels fulfil the requirements of

ISO 16872 and ISO 16877. The steel T (R) represents a notch impact energy temperature curve in the

upper range of grade T with a brittle fracture transition temperature of –30° C. V* (R) is a steel with

extreme low-temperature toughness (T = –75° C) and a tensile strength greater than 1 500 MPa.

NDT

The upper shelf notch impact energies of the tested steels are between 60 J and 110 J, the brittle fracture

transition temperatures range from –75°C to +30° C.

The same characteristics and the same sequence of the steels are also exhibited by the notch impact

energy temperature curves determined with sub-size notch impact specimens, see Figure A.11. The

brittle fraction transition temperatures have shifted to lower values as is to be expected and the upper

shelf impact notch energies attain values from 4 J to 5,5 J here.
9.2 Comparison of the test results and test equipment of manufacturer 1 and
manufacturer 2

The two chain steels TH (K) and TH (R) were tested by manufacturer 1 with standard ISO-V specimens.

The determined upper shelf impact energy of both steels is equal and the brittle fracture transition

temperature of TH (K) is lower by 10 K to 15 K, see Figure A.12. The correspondence of the two steels

during testing with sub-size notch impact specimens is excellent, see Figure A.13. The steel TH (K)

was tested by manufacturer 2 in the drop weight test and the steel TH (R) by manufacturer 1 with the

pendulum impact testing machine.

Furthermore, the sub-size specimens from the steels TH (R) and TH (K) were exchanged and hence a

crossover test was conducted on the specimens in the drop weight test and on the pendulum impact

testing machine. The results are only scattering to a minor extent, see Figure A.14. The comparability

of both test methods is therefore validated. The basis for this is indispensably a specimen preparation

corresponding to ISO 14556, the standard-compatible state of the test machines and a competent

calibration of the measuring devices as well as a precise setting of the test temperature.

9.3 Conversion of the characteristic values determined at sub-size notch impact
specimens

As the energy determined with sub-size notch impact specimens is very low, an attempt was made to

convert these values to values ascertained with standard ISO-V specimens by means of calculation.

4 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 21704:2017(E)

This is based on the force-displacement diagrams determined in the instrumented notch impact and

drop weight test. The notch impact energy temperature curves that were determined with standard

ISO-V specimens (CV) and sub-size specimens (SUS) are applied with the same scale for the notch

impact energy in Figure A.15. Here the major difference in the notch impact energies is particularly

clear owing to the different ligament.

A division of the area below the force-displacement curve in an energy component before reaching

the maximum force (Ei) and an energy component after exceeding the maximum force (Ep), see

Figure A.15, leads to partial energies, which, multiplied by the terms C1 and C2, see Figure A.17, and

then added, yield the converted notch impact energy KV. The conversion of all notch impact energies of

the sub-size specimens tested at different temperatures derives the notch impact temperature curve

of converted SUS, see Figure A.15. The comparison with the CV curve (ISO-V specimens) explains the

temperature shift ∆T to lower temperatures of the curve determined with sub-size specimens. This can

be traced back to the plane stress state of the sub-size specimen. The temperature shift was equalised

in Figure A.16 by means of a calculated value β, see Figure A.17. This shows that the progression of the

CV and the converted SUS curve corresponds in theory.

Three different methods of energy conversion and the calculation of the temperature shift are shown in

Figure A.17.
9.4 Validation of the conversion

The conversion, including the temperature shift, of the notch impact energy temperature curves of sub-

size specimens to standard ISO-V specimens based on the described formulae, see 9.3, of the steels

T (R), TH (R) and VH (R) with different methods is summarized in Figures A.18 to A.22. The materials

TH and VH are shown without and with temperature shift, the material T (R) is shown only with shift.

The conversion was realized in accordance with the “best fit” method.

The sub-size specimens of the steel T (R) yield an upper shelf energy too low by around 15 J after

conversion (method 1). The calculated shift of the transition temperature is too high by around 30 K,

see Figure A.18.

The notch impact energy values of the sub-size specimens made from steel TH (R) exhibit a good

correspondence with the values of the ISO-V specimens after conversion (method 1), see Figure A.19.

After the calculated temperature shift of around 60 K, both notch impact temperature curves

correspond sufficiently, see Figure A.20. Comparable results were found by manufacturer 2 with

specimens out of TH (K).

Steel VH (R) resulted in an acceptable correspondence of the converted (method 3) notch impact energy

values, see Figure A.21. However, the calculated shift of the transition temperature led to a value

excessive by 60 K, see Figure A.22.

The results discussed allow the conclusion that the energy conversion and the calculated shift of the

transition temperature apply at best to the notch impact energy temperature curves of steels in the

medium toughness range (TH). The curves based on the energy conversion and the temperature shift

of very tough and extreme brittle steels can only be converted to an insufficient degree.

Correspondingly, the conversion of the notch impact energy values and the temperature shift are not

suitable in all cases, according to the applied calculation basis, to compare the notch impact energy

values determined with sub-size notch impact specimens with specific requirements on the impact

energy values determined with standard ISO-V specimens. If there are no toughness values of standard

ISO-V specimens available, then a verification of the by calculation converted SUS toughness values is

not possible.
9.5 Scatter of the notch impact energy values determined with sub-size specimens

The definition of requirements in respect to the notch impact energy determined with sub-size notch

impact specimens takes into account the scatter behaviour of the characteristic values ascertained

with sub-size specimens. Ten specimens of the steels T (R), TH (R) and VH (R) were tested at –20° C

© ISO 2017 – All rights reserved 5
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ISO/TR 21704:2017(E)

and ambient temperature respectively for this. In the case of steel T (R), both temperatures are in the

range of the notch impact energy upper shelf. Accordingly the scatter is low at ≤ 0,8 J, see Figure A.23.

Due to the brittle fraction transition shifted to higher temperature ranges, the test temperature –20° C

for the material TH (R) is only slightly above the temperature with half upper shelf energy, i.e. almost in

the middle of the transition range. Here too the scatter is ≤ 0,9 J, see Figure A.24. In the case of the even

more restricted low-temperature toughness of the model material VH (R), the test temperature –20° C

is in the transition to the lower shelf and 20° C is clearly below the upper shelf, see Figure A.25. The

scatter of the test results determined at ambient temperature is around 0,8 J. As is to be expected, the

scatter in the lower range of the transition area increases, and reaches 1,2 J among the results for the

specimens from material VH (R). As the scatter of the individual values provides important information

on the homogeneity of the material from which the specimens were taken, tests for the scatter

behaviour were incorporated in the implementation of the toughness test with sub-size specimens and

in the requirements in respect to sub-size specimen characteristic values, see Clause 14.

Furthermore, the scatter in the results also provides information on the reproducibility of the specimen

preparation, the test and the temperature setting.
9.6 Brittle fracture transition temperature

The safety of a round steel chain against brittle fracture or reduction in the fracture force is a function

of the toughness (notch impact energy) and is evaluated according to the brittle fracture transition

temperature concept. The relation of lowest permissible application temperature to brittle fracture

transition temperature is crucial here, see ISO/TR 23602.

The brittle fracture transition temperature can be determined as T , FATT or ½ (USE). It is essential

NDT

to know the brittle fracture transition temperature of the various steels and chains.

In ISO/TR 23602, the brittle fracture transition temperature of the chains T (R), TH (R) and VH (R) was

determined by means of instrumented notch impact tests. With the help of the crack arrest criterion –

force at crack stop (P4) is 4 kN – the nil ductility transition temperature (T ) was determined from

NDT

the force-displacement diagrams of the instrumented notch impact test at standard ISO-V specimens.

Another, less precise method for determining the brittle fraction transition temperature involves

ascertainin
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 21704
Première édition
2017-03
Résilience des chaînes à maillons en
acier rond — Essai sur des éprouvettes
sous-dimensionnées
Toughness of round steel link chains — Test with sub-size specimens
Numéro de référence
ISO/TR 21704:2017(F)
ISO 2017
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ISO/TR 21704:2017(F)
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© ISO 2017, Publié en Suisse

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ISO/TR 21704:2017(F)
Sommaire Page

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

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

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

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

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

4 Abréviations .............................................................................................................................................................................................................. 1

5 Objectif ciblé ............................................................................................................................................................................................................. 2

6 Fabricants de chaînes ...................................................................................................................................................................................... 2

7 Aciers de chaîne soumis à l’essai ......................................................................................................................................................... 2

8 Équipement, géométrie et échantillonnage des éprouvettes ................................................................................ 3

9 Résultats ........................................................................................................................................................................................................................ 4

9.1 Énergie de choc sur entaille en fonction de la température des aciers soumis à l’essai ......... 4

9.2 Comparaison des résultats des essais et de l’équipement d’essai du fabricant 1 et

du fabricant 2 ........................................................................................................................................................................................... 5

9.3 Conversion des valeurs caractéristiques déterminées pour les éprouvettes

entaillées sous-dimensionnées ................................................................................................................................................. 5

9.4 Validation de la conversion .......................................................................................................................................................... 5

9.5 Dispersion des valeurs de l’énergie de choc sur entaille déterminées avec des

éprouvettes sous-dimensionnées ........................................................................................................................................... 6

9.6 Température de transition de rupture fragile .............................................................................................................. 6

10 Extension des éprouvettes.......................................................................................................................................................................... 7

10.1 Soudage au laser .................................................................................................................................................................................... 7

10.2 Soudage par friction ........................................................................................................................................................................... 8

10.3 Extension d’éprouvettes entaillées super sous-dimensionnées .................................................................. 8

11 Déduction des critères de résilience pour des valeurs caractéristiques déterminées

avec des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées ................................................................................................... 8

12 Valeurs caractéristiques des chaînes à maillons en acier rond des fabricants M3 et M4 ........9

12.1 Fabricant M3 ............................................................................................................................................................................................. 9

12.2 Fabricant M4 ..........................................................................................................................................................................................10

13 Valeurs caractéristiques des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées, de la

température et de l’énergie de choc sur entaille .............................................................................................................10

14 Exigences en matière de valeurs caractéristiques de la résilience des éprouvettes

entaillées sous-dimensionnées et super sous-dimensionnées .........................................................................11

15 État de la normalisation internationale ....................................................................................................................................12

Annexe A (informative) Figures ..............................................................................................................................................................................13

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................54

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ISO/TR 21704:2017(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 111, Chaînes à maillons en acier rond,

élingues à chaînes, composants et accessoires, Sous-comité SC 1, Chaînes et élingues à chaînes.

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ISO/TR 21704:2017(F)
Introduction

Le présent document fournit les résultats d’essais de résilience des chaînes en acier rond.

Les effets fondamentaux des chaînes en acier rond sur la capacité portante ont été examinés dans le cadre

d’un programme initial d’étude. Ces essais, qui ont examiné la résistance et la résilience des matériaux

ainsi que les températures, ont été réalisés sur des chaînes 16 x 48 ainsi que sur des éprouvettes

prélevées sur elles. Afin de déterminer la résilience des chaînes sous-dimensionnées à maillons en acier

rond, les essais exigés ont été conduits sur des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées, prélevées

sur des brins de chaîne non soudés.

La sécurité des chaînes à maillons en acier rond a été examinée en détail du point de vue de la charge

portante et de la température de transition ductile-fragile, voir la Figure A.1. Les températures et

les valeurs minimales de l’énergie de choc sur entaille ont été déterminées à l’aide de méthodes de

mécanique de rupture dans le but de garantir à une chaîne endommagée une capacité portante suffisante

à la température de service. Ces essais et leurs résultats sont documentés dans l’ISO/TR 23602.

© ISO 2017 – Tous droits réservés v
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 21704:2017(F)
Résilience des chaînes à maillons en acier rond — Essai sur
des éprouvettes sous-dimensionnées
1 Domaine d’application

Le présent document décrit les investigations et les résultats d’investigation sur la résilience des

chaînes à maillons en acier rond soumises à l’essai avec des éprouvettes sous-dimensionnées.

Il s’applique aux chaînes à maillons en acier rond pour palans à chaîne manuels de classes TH et VH et

aux chaînes d’élingage utilisées dans les élingues en chaînes de classe 8.

NOTE 1 Les Normes internationales associées sont l’ISO 16877, l’ISO 16872 et l’ISO 3076. Il est prévu d’intégrer

par la suite les résultats de résilience décrits dans le présent document aux nouvelles normes publiées.

Onze aciers fournis par quatre fabricants ont été soumis à l’essai afin de définir un régime d’essai pour

les éprouvettes sous-dimensionnées et les exigences relatives aux valeurs de la résilience au choc sur

entaille à la température de service qui ont découlé de ces essais. Ces exigences ont été ajustées aux

valeurs de résilience des éprouvettes ISO-V en grandeur réelle.

NOTE 2 Les exigences sont également valables pour des maillons de section autre que ronde.

2 Références normatives
Aucune référence normative n’est donnée dans le présent document.
3 Termes et définitions
Il n’est pas fourni de termes et définitions dans le présent document.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/

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

4 Abréviations
(Bb) largeur x hauteur du ligament des éprouvettes ISO-V en grandeur réelle
full
(Bb) largeur x hauteur du ligament des éprouvettes sous-dimensionnées
sub

C , C coefficients de corrélation de la section transversale des éprouvettes sous-dimen-

1 2
sionnées et des éprouvettes en grandeur réelle

DBTT température de transition ductile-fragile calculée pour des éprouvettes ISO-V en

full-size
grandeur réelle

DBTT température de transition ductile-fragile soumise à l’essai avec des éprouvettes

sub-size
sous-dimensionnées

E énergie nominale à la température de service (énergie nominale de choc sur entaille

à la température de service)
E énergie calculée pour des éprouvettes ISO-V en grandeur réelle
full

Ei énergie au moment d’atteindre la valeur maximale de la force au cours de l’essai

instrumenté de choc sur entaille
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ISO/TR 21704:2017(F)
Ei Ei pour les éprouvettes sous-dimensionnées
sub

Ep composante de l’énergie après dépassement de la valeur maximale de la force au

cours de l’essai instrumenté de choc sur entaille
Ep Ep pour les éprouvettes sous-dimensionnées
sub
Etot énergie totale: Ei + Ep

FATT température de transition de rupture apparente; température à laquelle la NCA de

50 % se produit

NCA aire non cristalline du faciès de rupture: composante de rupture ductile du faciès

de rupture
SUS éprouvette entaillée sous-dimensionnée
SSUS éprouvette entaillée super sous-dimensionnée
T température de service

T température de transition à ductilité nulle: température de transition de rupture

NDT

fragile, valeur de référence à partir des essais Pellini, dans l’essai instrumenté de

choc sur entaille déterminée avec la force d’arrêt de fissure (voir l’ISO/TR 23602)

T température à ½ (USE): température à la moitié de l’énergie du palier ductile de

½ (USE)
choc sur entaille

USE énergie du palier ductile: énergie du palier supérieur de l’essai de choc sur entaille

α pente de la courbe de régression pour le calcul de DBTT
full-size

β décalage calculé des températures associées aux valeurs de l’énergie, des éprou-

vettes sous-dimensionnées aux éprouvettes en grandeur réelle (°C)
5 Objectif ciblé

Les valeurs caractéristiques de la résilience déterminées avec des éprouvettes entaillées sous-

dimensionnées sont très petites en valeur absolue (<5 J) et ne diffèrent que faiblement les unes des

autres. Il fallait par conséquent déduire des valeurs caractéristiques déterminées pour les éprouvettes

sous-dimensionnées, une fonction de transition pour les éprouvettes ISO-V en grandeur réelle.

L’objectif a ainsi été de traduire en valeurs caractéristiques pour les éprouvettes sous-dimensionnées

les exigences de résilience obtenues pour les éprouvettes ISO-V standard dans l’ISO/TR 23602 à la

température d’application admissible la plus basse possible des chaînes correspondantes. Il n’existe

pas d’autre manière d’atteindre l’objectif d’évaluer la sécurité de la chaîne à l’aide des valeurs

caractéristiques d’éprouvettes sous-dimensionnées.
6 Fabricants de chaînes

Quatre fabricants de chaînes ont pris part à ces essais concernant la résilience des chaînes à maillons en

acier rond. Les résultats obtenus de trois de ces fabricants ont été intégrés dans le présent rapport. Les

participants étaient les suivants:
Fabricant 1: Symbole R
Fabricant 2: Symbole K
Fabricant 3: Symbole M3
Fabricant 4: Symbole M4
7 Aciers de chaîne soumis à l’essai

Les différents aciers de chaîne suivants ont été fournis par les fabricants pour inclusion dans les essais

de résilience.
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ISO/TR 21704:2017(F)

T (R) Acier allié NiCrMo avec un palier d’énergie ductile très élevé et une température de transition

de rupture fragile très basse, chaînes à maillons en acier rond de classe 8
TH (R) Acier manganèse-boron (MnB), chaînes à maillons en acier rond de classe 8

VH (R) Acier MnB, matériau modèle, seuil plancher du palier USE et température de transition de

rupture fragile élevée, chaînes à maillons en acier rond de classe 10
TH (K) Acier MnB, chaînes à maillons en acier rond standard de classe 8
VH (K) Acier MnB, chaînes à maillons en acier rond standard de classe 10

V* (R) Chaîne en acier allié NiCrMo avec une excellente résilience à basse température, chaînes à

maillons en acier rond en matériau présentant une résistance ultime à la traction supérieure

à 1 500 MPa
Les aciers de chaîne employés par le fabricant M3 comprennent:
Classe 8 Acier allié NiCrMo
Classe 10 Acier allié NiCrMo
Les aciers de chaîne employés par le fabricant M4 comprennent:
Classe 8 Acier allié MnB et NiCrMo
Grade 10 Acier allié NiCrMo

Les chaînes et les aciers de chaîne T (R), TH (R), VH (R) ont déjà participé aux essais mécaniques de

rupture de l’ISO/TR 23602.

Ces aciers présentent un large éventail de résiliences avec différentes résistances de matériaux,

notamment dans la zone de transition des courbes d’énergie de choc sur entaille en fonction de la

température.
8 Équipement, géométrie et échantillonnage des éprouvettes

Les éprouvettes entaillées standard (ISO-V) ont été soumises à l’essai sur un mouton-pendule avec une

énergie maximale de chute de 300 J, voir la Figure A.2. La panne du marteau est munie d’une jauge

de contrainte qui permet de déterminer la courbe de la force en fonction du temps, voir la Figure A.3.

Par intégration, on obtient la courbe force en fonction du déplacement dont l’intégrale est l’énergie de

rupture (énergie de choc sur entaille) correspondant à l’éprouvette soumise à l’essai. Les résultats de

l’essai (valeurs de l’énergie de choc sur entaille) ont été directement lus sur le manomètre à aiguille

suiveuse du mouton-pendule et ont par ailleurs été calculés à partir de l’énergie de choc sur entaille de

la courbe de la force en fonction du déplacement. L’amplificateur de mesure et l’intégralité du système

journalisation des données pour l’enregistrement de la force en fonction du temps ont été étalonnés

avant chaque série d’essais.

Un mouton-pendule développant une énergie maximale de 15 J a servi aux essais de l’éprouvette entaillée

sous-dimensionnée, voir la Figure A.4a). Ici également, la panne du marteau était instrumentée avec des

jauges de contrainte, voir les Figures A.4b) et A.4e). La Figure A.4c) présente l’appui du mouton-pendule.

L’amplificateur et l’intégralité du système de journalisation des données ont été étalonnés avant chaque

série d’essais, voir la Figure A.4d). Deux valeurs de l’énergie ont également été déterminées pendant les

essais sur ce mouton-pendule, l’une par lecture sur le manomètre à aiguille suiveuse et l’autre calculée

à partir de la courbe de la force en fonction du déplacement.

Les éprouvettes étaient soient chauffées, soit refroidies dans de l’azote liquide pour obtenir les

différentes températures d’épreuve. Le contrôle de la température d’épreuve exigée était assuré par des

thermocouples.
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ISO/TR 21704:2017(F)

Une autre solution pour la détermination de l’énergie de choc sur entaille des éprouvettes sous-

dimensionnée est l’utilisation de l’essai de chute par masse tombante, voir la Figure A.5. Ici encore, le

système de mesurage et l’amplificateur ont été étalonnés avant chaque série d’essais. Cette méthode

d’essai ne permet pas de lire l’énergie du choc sur un manomètre à aiguille suiveuse. Seule la valeur

calculée par intégration peut être utilisée.

Les résultats des deux méthodes d’essai sur éprouvettes sous-dimensionnées présentent une bonne

correspondance, voir les Figures A.12 à A.14 et 9.2. À cet effet, les essais ont été menés avec le mouton-

pendule (R) et la tour de chute (K).

Les éprouvettes entaillées ont été prélevées sur des brins non soudés de chaînes à maillons en acier

rond. L’emplacement de l’éprouvette dans un brin de chaîne de dimension 16 x 48 et les dimensions de

l’éprouvette conformément à l’ISO 148-1 pour les éprouvettes ISO-V standard sont décrits à la Figure A.6.

La Figure A.7 présente de même l’éprouvette entaillée sous-dimensionnée conformément à l’ISO 14556.

La largeur du ligament de l’éprouvette ISO-V est de 8 mm, celle de l’éprouvette sous-dimensionnée de

2 2

3 mm seulement. Les aires des ligaments sont ainsi de 80 mm et 9 mm respectivement.

L’aire réduite de ce ligament conduit à des valeurs d’énergie de rupture extrêmement faibles pour

l’éprouvette sous-dimensionnée. La largeur de 3 mm seulement génère un état de contrainte plane au

niveau de l’extrémité entaillée de l’éprouvette sous-dimensionnée alors que les conditions d’un état

de déformation plane sont essentiellement atteintes sous charge de flexion au niveau de l’extrémité

entaillée de l’éprouvette ISO-V. La Figure A.8 montre les courbes de l’énergie de choc sur entaille en

fonction de la température pour des éprouvettes ISO-V standard et des éprouvettes entaillées sous-

dimensionnées. Les valeurs inférieures de l’énergie de rupture des éprouvettes sous-dimensionnées –

taille du ligament – et le décalage de la température de transition de rupture fragile ∆T par rapport aux

températures inférieures sont caractéristiques. Cela résulte essentiellement de l’état de contrainte.

Les photos de la Figure A.9 permettent de comparer les différentes éprouvettes soumises à l’essai: une

éprouvette entaillée super sous-dimensionnée, une éprouvette entaillée sous-dimensionnée et une

éprouvette ISO-V standard. L’éprouvette entaillée super sous-dimensionnée est décrite en 10.3.

9 Résultats

9.1 Énergie de choc sur entaille en fonction de la température des aciers soumis à l’essai

Toutes les courbes de l’énergie de choc sur entaille en fonction de la température déterminées par

le fabricant 1 (R) sont présentées à la Figure A.10. Elles montrent le large éventail de résiliences des

aciers soumis à l’essai. Le VH (R) est un matériau modèle avec une résilience extrêmement faible qui

permet l’étude du comportement en limite basse. L’énergie du palier ductile est de 60 J et la température

de transition à ductilité nulle (T ) est de 30 °C. Les matériaux TH (K), TH (R) et VH (K) sont des

NDT

aciers de chaîne type. Les chaînes à maillons en acier rond fabriquées dans ces aciers répondent aux

exigences de l’ISO 16872 et de l’ISO 16877. L’acier T (R) montre une courbe d’énergie de choc sur entaille

en fonction de la température dans le haut de la classe T avec une température de transition de rupture

fragile de −30 °C. V* (R) est un acier de résilience extrême à basse température (T = −75 °C) avec

NDT
une résistance à la traction supérieure à 1 500 MPa.

Les énergies de palier ductile des aciers soumis à l’essai sont comprises entre 60 J et 110 J pour des

températures de transition de rupture fragile entre −75 °C et +30 °C.

Les courbes d’énergie de choc sur entaille en fonction de la température déterminées avec les

éprouvettes entaillées sous-dimensionnées présentent les mêmes caractéristiques et classent les aciers

dans le même ordre, voir la Figure A.11. Les températures de transition ductile-fragile sont, comme cela

était prévisible, décalées vers les valeurs inférieures tandis que les énergies de palier ductile atteignent

ici des valeurs comprises entre 4 J et 5,5 J.
4 © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO/TR 21704:2017(F)

9.2 Comparaison des résultats des essais et de l’équipement d’essai du fabricant 1 et du

fabricant 2

Les aciers de chaîne TH (K) et TH (R) ont été soumis à l’essai par le fabricant 1 sur des éprouvettes

ISO-V standard. L’énergie du palier ductile est la même pour ces deux aciers bien que la température

de transition de rupture fragile du TH (K) soit inférieure de 10 K à 15 K, voir la Figure A.12. La

correspondance entre les deux aciers pendant les essais avec éprouvettes entaillées sous-dimensionnées

est excellente, voir la Figure A.13. L’acier TH (K) a été soumis à l’essai de chute par masse tombante par

le fabricant 2 et l’acier TH (R) par le fabricant 1 avec le mouton-pendule.

De plus, les éprouvettes sous-dimensionnées prélevées sur les aciers TH (R) et TH (K) ont été échangées,

ce qui a permis de mener un essai croisé sur les éprouvettes soumises à l’essai de chute par masse

tombante et celles placées dans le mouton-pendule. Les résultats ne présentent qu’une dispersion

mineure, voir la Figure A.14, ce qui valide la comparabilité des deux méthodes d’essai. Les conditions

indispensables à cette comparabilité sont la préparation d’éprouvettes conformément à l’ISO 14556,

la compatibilité des machines d’essai avec les normes et un étalonnage compétent des dispositifs de

mesurage ainsi qu’une détermination précise des températures d’épreuve.
9.3 Conversion des valeurs caractéristiques déterminées pour les éprouvettes
entaillées sous-dimensionnées

L’énergie déterminée à l’aide des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées est très faible et il a été

décidé de chercher à convertir, par le calcul, ces valeurs en valeurs déjà obtenues pour les éprouvettes

ISO-V standard. Tout repose sur les diagrammes des forces en fonction du déplacement déterminés par

les essais instrumentés de choc sur entaille et de chute par masse tombante. Les courbes d’énergie de

choc sur entaille en fonction de la température établies avec des éprouvettes ISO-V standard (CV) et

des éprouvettes sous-dimensionnées (SUS) sont représentées avec la même échelle d’énergie de choc

sur entaille à la Figure A.15. Les écarts importants de l’énergie de choc sur entaille sont ici clairement

visibles en raison des différences de ligaments.

Une division de l’aire sous la courbe de la force en fonction du déplacement dans une composante de

l’énergie avant d’atteindre la force maximale (Ei) et d’une composante de l’énergie après dépassement

de la force maximale (Ep), voir la Figure A.15, permet de déterminer les énergies partielles qui, après

combinaison linéaire avec C1 et C2, voir la Figure A.17, donnent l’énergie de choc sur entaille convertie

KV. La conversion de toutes les énergies de choc sur entaille des éprouvettes sous-dimensionnées

soumises à l’essai à différentes températures donne la conversion de température de choc sur entaille

pour les éprouvettes sous-dimensionnées, voir la Figure A.15. La comparaison avec la courbe CV des

éprouvettes ISO-V explique le décalage de température ∆T vers des températures inférieures de la

courbe déterminée avec les éprouvettes sous-dimensionnées. Cela peut être une conséquence de l’état

de contrainte plane de l’éprouvette sous-dimensionnée. La compensation du décalage de température

à la Figure A.16 a été obtenue à l’aide de la valeur calculée β, voir la Figure A.17. Cela montre la

correspondance théorique entre les variations de CV et de la courbe de conversion des éprouvettes

sous-dimensionnées.

Trois différentes méthodes de conversion de l’énergie et de calcul du décalage de température sont

présentées à la Figure A.17.
9.4 Validation de la conversion

La conversion, décalage de température inclus, des courbes d’énergie de choc sur entaille en fonction

de la température des éprouvettes sous-dimensionnées aux éprouvettes ISO-V standard à partir des

formules décrites en 9.3 pour les aciers T (R), TH (R) et VH (R) selon les différentes méthodes est

récapitulée dans les Figures A.18 à A.22. Les matériaux TH et VH sont présentés avec et sans décalage

de température, le matériau T (R) est présenté uniquement avec le décalage. La conversion a été réalisée

selon la méthode dite de « meilleur ajustement ».

Les éprouvettes sous-dimensionnées de l’acier T (R) donnent une énergie de palier ductile trop faible,

aux alentours de 15 J, après conversion (méthode 1). Le décalage calculé de la température de transition

est trop élevé de 30 K environ, voir la Figure A.18.
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ISO/TR 21704:2017(F)

Les valeurs de l’énergie de choc sur entaille des éprouvettes sous-dimensionnées prélevées dans de l’acier

TH (R) présentent une bonne correspondance avec les valeurs des éprouvettes ISO-V après conversion

(méthode 1), voir la Figure A.19. Après le décalage de température calculé aux alentours de 60 K, les deux

courbes de températures de choc sur entaille correspondent de manière suffisante, voir la Figure A.20.

Des résultats comparables ont été obtenus par le fabricant 2 avec des éprouvettes en TH (K).

Pour l’acier VH (R), une correspondance acceptable a été constatée entre les valeurs converties

(méthode 3) de l’énergie de choc sur entaille, voir la Figure A.21. Toutefois, le décalage calculé de la

température de transition montre une valeur trop élevée de 60 K environ, voir la Figure A.22.

L’analyse des résultats permet de conclur
...

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