ISO/TR 21704:2017

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 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.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 12-Jan-2017
• ICS: 53.020.30 - Accessories for lifting equipment
• Technical Committee: ISO/TC 111/SC 1 - Chains and chain slings
• Drafting Committee: ISO/TC 111/SC 1 - Chains and chain slings
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 13-Jan-2017
• Due Date: 13-May-2019
• Completion Date: 13-May-2019

Relations

• Consolidated By: ISO 15118-8:2020 - Road vehicles - Vehicle to grid communication interface - Part 8: Physical layer and data link layer requirements for wireless communication
• Effective Date: 06-Jun-2022

Overview

ISO/TR 21704:2017 - Toughness of round steel link chains - Test with sub-size specimens - is a technical report documenting investigations and test results on the toughness of round steel link chains when evaluated using sub-size notch impact specimens. The report focuses on chains used in hand-operated chain hoists (grades TH and VH) and sling chains for chain slings (grade 8). Eleven steels from four manufacturers were tested to establish a reliable test regime and to derive requirements for notch impact energy at design temperatures that are consistent with full-size ISO‑V specimen results.

Key topics and technical requirements

• Scope: Applies to round steel link chains for hand-operated chain hoists and sling chains; findings intended for future incorporation into standards.
• Specimen types: Comparison between sub-size (3 mm ligament) specimens and standard ISO‑V (8 mm ligament) specimens; super sub-size specimens also considered.
• Test methods:
  • Pendulum impact testing machines (full-size and sub-size rigs) with instrumented hammers for force‑time recording.
  • Drop-weight testing as an alternative for sub-size specimens.
• Measured parameters:
  • Notch impact energy (total, pre‑maximum Ei, post‑maximum Ep).
  • Brittle fracture transition temperatures (DBTT, FATT, NDT).
  • Scatter, reproducibility, and conversion factors between sub-size and full-size specimen results.
• Findings:
  • Sub-size specimens produce very low absolute energy values (< ~5 J) and exhibit a shift of the brittle‑to‑ductile transition to lower temperatures due to different stress states (plane stress vs. plane strain).
  • Conversion methodology derived to translate sub-size specimen characteristic values to equivalent full-size ISO‑V values to allow safe design assessments.
• Calibration and validation: Instrumentation, amplifier and data acquisition calibration before test series; validation across manufacturers and equipment types documented.

Practical applications and users

ISO/TR 21704:2017 is directly useful for:

• Chain manufacturers and material suppliers validating the low-temperature toughness of chain steels.
• Quality assurance and testing laboratories performing notch impact or drop-weight tests on chain link specimens.
• Design engineers assessing chain safety and load-bearing behavior under possible brittle fracture scenarios at design temperatures.
• Standards committees integrating sub-size specimen requirements into normative chain standards.

Benefits:

• Enables reliable toughness assessment when full-size specimens are not available.
• Supports safer selection of chain materials for hoists and slings used in low-temperature or safety-critical applications.

Related standards

• ISO 16877, ISO 16872, ISO 3076 (associated chain standards)
• ISO/TR 23602 (fracture mechanics for round steel chains)
• ISO 148‑1 (standard ISO‑V specimen geometry)
• ISO 14556 (sub-size specimen geometry)

Keywords: ISO/TR 21704:2017, toughness, round steel link chains, sub-size specimens, notch impact energy, chain hoists, chain slings, ISO‑V specimens, brittle fracture transition temperature, pendulum impact test.

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 2017
© ISO 2017, Published in Switzerland
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ii © ISO 2017 – All rights reserved

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
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/d irectives).
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/p atents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,
as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the
Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: ww w .iso. org/iso / foreword. html
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

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.
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
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
D
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

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-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

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
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
...

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 2017
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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
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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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.
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
D
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
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
D
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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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.
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.
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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.
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 conclure que la conversion de l’énergie et le décalage calculé de la
température de transition conviennent plus particulièrement aux courbes d’énergie de choc sur
entaille en fonction de la température des aciers de résilience moyenne (TH). Les courbes obtenues par
conversion d’énergie et décalage de température des aciers très résistants et extrêmement fragiles ne
peuvent être converties que de manière insuffisante.
Ainsi, la conversion des valeurs de l’énergie de choc sur entaille et du décalage de température ne
convient pas dans tous les cas, sur la base des calculs employés, pour comparer les valeurs d’énergie de
choc sur entaille déterminées sur des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées avec des exigences
spécifiques sur les valeurs de l’énergie de choc déterminées avec des éprouvettes ISO-V standard. En
l’absence de valeurs de la résilience des éprouvettes ISO-V standard disponibles, il n’est pas possible de
procéder à la vérification des valeurs de la résilience des éprouvettes sous-dimensionnées obtenues par
conversion calculée.
9.5 Dispersion des valeurs de l’énergie de choc sur entaille déterminées avec des
éprouvettes sous-dimensionnées
La définition des exigences relatives à l’énergie de choc sur entaille déterminée sur des éprouvettes
entaillées sous-dimensionnées tient compte du comportement de dispersion des valeurs
caractéristiques obtenues avec les éprouvettes sous-dimensionnées. Pour cela, dix éprouvettes en
acier T (R), TH (R) et VH (R) ont été soumises à l’essai à −20 °C et à température ambiante. Dans le cas
de l’acier T (R), les deux températures sont dans l’intervalle de l’énergie du palier ductile du choc sur
entaille ce qui explique la dispersion faible, inférieure ou égale à 0,8 J, voir la Figure A.23. En raison du
décalage de la température de transition ductile-fragile vers des valeurs plus élevées, la température
d’épreuve de −20 °C pour l’acier TH (R) est à peine supérieure à la température de l’énergie du palier
ductile, autrement dit pratiquement au milieu de l’intervalle de transition. Ici encore, la dispersion
demeure inférieure ou égale à 0,9 J, voir la Figure A.24. Dans le cas de la résilience à basse température
encore plus restreinte du matériau modèle VH (R), la température d’épreuve de −20 °C se trouve dans
la transition vers l’énergie du palier fragile tandis que 20 °C reste clairement en deçà du palier ductile,
voir la Figure A.25. La dispersion des résultats des essais menés à température ambiante est de l’ordre
de 0,8 J. Comme cela était prévisible, pour les valeurs plus basses de la zone de transition, la dispersion
augmente pour atteindre 1,2 J pour les éprouvettes du matériau VH (R). Sachant que la dispersion des
différentes valeurs donne des informations importantes sur l’homogénéité du matériau dans lequel
les éprouvettes ont été prélevées, les essais de détermination du comportement de dispersion ont été
intégrés dans la mise en œuvre des essais de résilience sur les éprouvettes sous-dimensionnées ainsi
que dans les exigences relatives aux valeurs caractéristiques des éprouvettes sous-dimensionnées, voir
l’Article 14.
De plus, la dispersion des résultats renseigne sur la reproductibilité de la préparation des éprouvettes,
de l’essai et de la détermination des températures.
9.6 Température de transition de rupture fragile
La sécurité d’une chaîne en acier rond contre la rupture fragile ou la réduction de la force de rupture
est une fonction de la résilience (énergie de choc sur entaille) et s’évalue en fonction du concept de
température de transition de rupture fragile. La relation entre la plus basse température d’application
admissible et la température de transition de rupture fragile est ici cruciale, voir l’ISO/TR 23602.
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La température de transition de rupture fragile peut être déterminée en tant que T , FATT ou
NDT
½ (USE). Il est essentiel de connaître la température de transition de rupture fragile des différents
aciers et des différentes chaînes.
Dans l’ISO/TR 23602, la température de transition de rupture fragile des chaînes T (R), TH (R) et
VH (R) a été déterminée par des essais instrumentés de choc sur entaille. En utilisant le critère d’arrêt
de fissure – la force à l’arrêt de fissure (P4) est de 4 kN – la température de transition de ductilité
nulle (T ) a été déterminée à partir des courbes de force en fonction du déplacement des essais
NDT
instrumentés de choc sur entaille pour des éprouvettes ISO-V standard.
Une autre méthode, moins précise, pour déterminer la température de transition de rupture fragile
consiste à établir la température de transition d’apparition de rupture (FATT): pour ceci, voir
l’ISO/TR 23602. Cette température peut être obtenue sans système de mesurage complexe à partir de
la morphologie du faciès de rupture. Lorsque la composante de rupture ductile (zone non cristalline
de la surface de rupture, NCA) est de 50 %, la température d’épreuve correspond à la température
de transition de rupture fragile. La comparaison entre la T et la FATT pour les éprouvettes ISO-V
NDT
standard donne une bonne corrélation pour les chaînes en acier T (R), TH (R), VH (R) et V* (R) dans
l’intervalle de températures de 140 K, voir la Figure A.26.
Un autre critère permet également de déterminer la température de transition de rupture fragile sans
essai instrumenté. La température correspondant à la moitié de l’énergie du palier ductile du choc
sur entaille (½ USE) est intégrée ici. La corrélation de T et de la T (déterminée pour des
½ (USE) NDT
éprouvettes ISO-V standard) donne également de très bonnes valeurs pour des éprouvettes standard,
voir la Figure A.27. Pour les éprouvettes standard, la corrélation entre les températures T et
½ (USE)
FATT est également très bonne, voir la Figure A.28.
Les deux critères vérifiés pour des éprouvettes standard sans essai instrumenté de choc sur entaille
de T et de FATT ont également été étudiés pour des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées.
½ (USE)
La température FATT des éprouvettes sous-dimensionnées des chaînes T (R), TH (K), TH (R), VH (K),
VH (R) et V* (R) a montré une excellente corrélation avec les valeurs de la température T de ces
½ (USE)
mêmes chaînes, voir la Figure A.29. Ces valeurs caractéristiques sont ainsi applicables également aux
éprouvettes entaillées sous-dimensionnées.
La comparaison entre les valeurs de T pour des éprouvettes standard et sous-dimensionnées
½ (USE)
donne un décalage moyen de la température de 35 K, voir la Figure A.30.
À partir des éprouvettes standard, il a été montré que les critères FATT et T donnaient une bonne
½ (USE)
corrélation avec la T (température de transition de rupture fragile de référence) déterminée dans
NDT
les essais instrumentés de choc sur entaille. Cela permet par conséquent d’établir la base du transfert
de la FATT et de la T , ainsi que la bonne corrélation avec les valeurs des éprouvettes standard. Un
½ (USE)
décalage de 35 K vers les températures plus basses de la température de transition de rupture fragile
établie pour les éprouvettes standard doit être respecté pour une utilisation avec les éprouvettes sous-
dimensionnées.
10 Extension des éprouvettes
10.1 Soudage au laser
Un morceau d’éprouvette peut être prélevé dans un brin non soudé pour des maillons de chaîne
dont les dimensions ne permettent pas l’extraction d’éprouvettes entaillées sous-dimensionnées. La
Figure A.31a) présente un exemple de ce type de prélèvement dans une chaîne à maillons en acier rond
13 x 39 avec une section de 12 mm de long. Le morceau d’éprouvette ainsi que deux morceaux soudés de
8 mm de longueur en acier de résistance égale sont alors usinés pour obtenir une section de 3 x 4,5 mm,
voir la Figure A.31b). Les morceaux sont serrés dans le sens de la longueur et soudés au laser avant
usinage de l’éprouvette pour obtenir une largeur de 4,0 mm, voir la Figure A.31c). L’usinage de la largeur
et la création d’une entaille conformément à l’ISO 14556 sont réalisés du côté de la tension de flexion.
Enfin, la longueur de l’éprouvette est usinée à 27 mm en conservant la position médiane de l’entaille.
Pour déterminer l’effet de l’apport thermique consécutif au soudage au laser, un profil de dureté a
été déterminé dans le sens longitudinal du morceau d’éprouvette de 12 mm de longueur de la chaîne
sur laquelle les deux morceaux d’extrémité ont été soudés, voir la Figure A.32. Les zones affectées
thermiquement des deux soudures laser sont très étroites avec une largeur de 2,5 mm environ, comme
cela était prévisible. La dureté de la longueur restante du morceau d’éprouvette extrait de la chaîne,
soit environ 7 mm, n’est pas affectée, voir la Figure A.32. Le morceau d’éprouvette présente ainsi une
longueur minimale de 9 mm entre les zones de 2,5 mm environ qui sont affectées thermiquement.
Après positionnement précis de l’entaille, ceci garantit que la rupture qui commence à l’extrémité de
l’entaille progresse dans une zone suffisamment large dans laquelle la microstructure de la chaîne n’est
pas affectée.
Les éprouvettes entaillées sous-dimensionnées en matériau V* (R) plein ou soudé donnent des courbes
d’énergie de choc sur entaille en fonction de la température extrêmement proches, voir la Figure A.33.
10.2 Soudage par friction
L’application d’un soudage par friction à l’extension bilatérale des éprouvettes a été étudiée par le
fabricant K. Toutefois, avec ce procédé, les effets thermiques sont extrêmement élevés. Le profil de
dureté sur la longueur a révélé une chute très importante dans la zone de l’entaille et, par conséquent,
un changement prononcé et inacceptablement élevé de la courbe d’énergie de choc sur entaille en
fonction de la température.
10.3 Extension d’éprouvettes entaillées super sous-dimensionnées
La résilience des chaînes dont il n’est pas possible d’extraire un morceau d’éprouvette de 9 mm de
longueur est déterminée à l’aide d’éprouvettes entaillées super sous-dimensionnées. Les dimensions
de ces éprouvettes sont 1,5 x 1,5 x 27 mm pour une entaille de 0,5 mm de profondeur. La longueur de
27 mm est une conséquence de la géométrie des équipements d’essai. En raison de cette longueur, les
éprouvettes sont toujours prolongées par des morceaux soudés. Pour réduire autant que possible l’apport
thermique, des essais de soudage ont été menés avec un micro-laser et une énergie pulsée de 6,4 J, voir
la Figure A.34. Les éprouvettes ne sont plus usinées après soudure. Les essais de dureté montrent que
l’énergie de soudage appliquée, qui est extrêmement faible, ne modifie en rien la dureté. Cela concerne
également la zone immédiatement adjacente aux cordons de soudure, voir la Figure A.34a).
En raison de la surface extrêmement faible (1,5 mm ) du ligament, l’énergie de choc sur entaille est
inférieure à 1 J même dans le palier ductile, voir la Figure A.35. Il n’est pas possible de différencier
ces valeurs faibles de l’énergie selon la température d’épreuve en raison de du profil plat de la courbe
d’énergie en fonction de la température, voir la Figure A.35. L’aire non cristalline des surfaces de
rupture des éprouvettes TH (R) soumises à l’essai à différentes températures a par conséquent été
déterminée au microscope à balayage électronique (MBE) afin d’évaluer les différences valeurs de la
NCA qui sont incluses à la Figure A.35. La Figure A.36 présente un exemple de l’analyse au MBE avec une
NCA de 85 % qui porte sur la surface de rupture d’une éprouvette en TH (R) soumise à l’essai à - 50 °C.
L’exigence tirée de ce résultat est NCA ≥ 80 %, voir l’Article 14. À la température T de - 35 °C
½ (USE)
des éprouvettes sous-dimensionnées en acier TH (R), la surface de rupture de l’éprouvette super sous-
dimensionnée atteint 50 % de la NCA à une température d’épreuve inférieure d’environ 50 K, voir la
Figure A.35. Un décalage d’environ 50 K de la température de transition de rupture fragile entre les
éprouvettes entaillées sous-dimensionnées et super sous-dimensionnées devient ainsi apparent.
11 Déduction des critères de résilience pour des valeurs caractéristiques
déterminées avec des éprouvettes entaillées sous-dimensionnées
Comme il n’a pas été possible de vérifier dans tous les essais la conversion calculée des valeurs
caractéristiques des éprouvettes ISO-V standard déterminées à partir d’éprouvettes sous-
dimensionnées, voir 9.3 et 9.4, les exigences qui portent sur les éprouvettes sous-dimensionnées
sont désormais tirées de la courbe d’énergie de choc sur entaille en fonction de la température des
éprouvettes ISO-V standard . L’ISO/TR 23602 exige 30 J pour les chaînes TH et 45 J pour les chaînes VH
(concept de la charge portante) pour prévenir les ruptures fragiles à basse charge pour les plus basses
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températures d’application admissibles. L’ISO 16872 et l’ISO 16877 exigent une température de service
(T ) de 0 °C pour les chaînes TH et VH. L’homologation de la résilience s’effectue à cette température
D
(30 J pour TH et 45 J pour VH). Compte tenu de la relation des forces de rupture de chaîne à la T
NDT
et à la T – 10 K, la plus basse température d’application admissible peut être définie pour les deux
NDT
classes de chaîne à −10 °C.
Sur la base de ces exigences et pour toutes les chaînes à maillons en acier rond examinées, la température
de service T est désormais déterminée comme l’abscisse du point de la courbe d’énergie de choc sur
D
entaille en fonction de la température des éprouvettes ISO-V qui donne une valeur de 30 J ou de 45 J
selon le cas. Si les courbes d’énergie de choc sur entaille en fonction de la température des éprouvettes
ISO-V standard et des éprouvettes sous-dimensionnées sont tracées dans un repère dont les échelles
sur l’axe Y sont fonction des aires des ligaments des éprouvettes, les valeurs correspondantes de la
résilience (E ) des éprouvettes sous-dimensionnées peuvent être déterminées à la température de
D
service T sans décalage de température. Ces corrélations ont été réalisées pour toutes les chaînes
D
examinées dans les Figures A.37 à A.42.
Dans le cas de l’acier T (R), l’exigence retenue pour l’énergie de choc sur entaille n’était pas de 30 J mais
de 40 J, comme prévu pour l’acier TH (30 J). Pour cet acier tenace à basse température, le palier fragile
de la courbe de l’énergie de choc sur entaille a été atteint à la température d’épreuve de −60 °C. À des
températures plus basses, les valeurs de l’énergie de choc sur entaille ne changent que faiblement et
ne descendent pas en dessous de 30 J, voir la Figure A.37. Cette énergie de choc sur entaille de 40 J
(éprouvette
...