Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-controlled method

ISO 12106:2003 specifies a method of testing uniaxially loaded specimens under strain control at constant amplitude, uniform temperature and a strain ratio of -1. It can also be used as a guide for testing under other conditions.

Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par déformation axiale contrôlée

L'ISO 12106:2003 spécifie une méthode d'essai de fatigue par déformation axiale contrôlée. Elle s'applique à des éprouvettes chargées de manière uniaxiale sous contrôle des déformations à amplitude constante, température uniforme et rapport de déformation égal à -1. L'ISO 12106:2003 peut aussi être utilisée comme lignes directrices pour des essais sous d'autres conditions.

General Information

Status
Withdrawn
Publication Date
01-Apr-2003
Withdrawal Date
01-Apr-2003
Current Stage
9599 - Withdrawal of International Standard
Start Date
23-Mar-2017
Completion Date
23-Mar-2017
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ISO 12106:2003 - Metallic materials -- Fatigue testing -- Axial-strain-controlled method
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ISO 12106:2003 - Matériaux métalliques -- Essais de fatigue -- Méthode par déformation axiale contrôlée
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 12106
First edition
2003-03-15
Metallic materials — Fatigue testing —
Axial-strain-controlled method
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par déformation
axiale contrôlée
Reference number
ISO 12106:2003(E)
ISO 2003
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 12106:2003(E)
PDF disclaimer

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© ISO 2003

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Published in Switzerland
ii © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
Contents Page

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

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

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

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

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

4 Symbols ................................................................................................................................................. 2

4.1 Specimens ............................................................................................................................................. 3

4.2 Fatigue testing....................................................................................................................................... 3

4.3 Expression of results............................................................................................................................ 5

5 Apparatus............................................................................................................................................... 5

5.1 Test machine ......................................................................................................................................... 5

5.2 Strain measurement.............................................................................................................................. 6

[10, 14 to 16]

5.3 Heating device and temperature measurement ............................................................ 6

5.4 Instrumentation for test monitoring.................................................................................................... 8

5.5 Checking and verification .................................................................................................................... 9

6 Specimens ............................................................................................................................................. 9

6.1 Geometry................................................................................................................................................ 9

6.2 Preparation of specimens .................................................................................................................. 15

7 Procedure............................................................................................................................................. 17

7.1 Laboratory environment..................................................................................................................... 17

7.2 Test machine control .......................................................................................................................... 17

7.3 Mounting of the specimen.................................................................................................................. 17

7.4 Cycle shape — Strain rate or frequency of cycling......................................................................... 18

7.5 Start of test .......................................................................................................................................... 18

7.6 Number of specimens......................................................................................................................... 19

7.7 Data recording..................................................................................................................................... 19

7.8 Failure criteria ..................................................................................................................................... 19

7.9 End of test............................................................................................................................................ 21

8 Expression of results.......................................................................................................................... 22

8.1 Data necessary.................................................................................................................................... 22

8.2 Basic data ............................................................................................................................................ 22

8.3 Analysis of results .............................................................................................................................. 22

9 Test report............................................................................................................................................ 24

9.1 General................................................................................................................................................. 24

9.2 Purpose of the test.............................................................................................................................. 24

9.3 Material................................................................................................................................................. 24

9.4 Specimen ............................................................................................................................................. 24

9.5 Test methods....................................................................................................................................... 24

9.6 Test conditions.................................................................................................................................... 25

9.7 Presentation of results ....................................................................................................................... 25

9.8 Values to be stored in a low-cycle fatigue database....................................................................... 27

Annex A (informative) Examples of alignment-checking methods ........................................................... 29

Annex B (informative) Examples of graphical presentation of results ..................................................... 30

Bibliography ..................................................................................................................................................... 34

© ISO 2003 — All rights reserved iii
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ISO 12106:2003(E)
Foreword

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

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

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

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.

ISO 12106 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee

SC 5, Fatigue testing.
iv © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
Introduction

The design of mechanical components subjected to fatigue loadings requires, in a number of industrial sectors

(nuclear, aeronautical, mechanical engineering), the knowledge of the behaviour of the materials under

reversed strain control conditions (referred to as low-cycle fatigue) when cyclic plasticity is present.

In order to ensure reliability and consistency of results from different laboratories, it is necessary to collect all

data using test methodologies that comply with a number of key points.

This International Standard concerns both the generation and the presentation of results for fatigue properties

of metallic materials.
© ISO 2003 — All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 12106:2003(E)
Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-controlled
method
1 Scope

This International Standard specifies a method of testing uniaxially loaded specimens under strain control at

constant amplitude, uniform temperature and strain ratio R = −1.
It can also be used as a guide for testing under other conditions.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

ISO 9513:1999, Metallic materials — Calibration of extensometers used in axial testing

3 Terms and definitions
[3 to 9]
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
stress

instantaneous force divided by the instantaneous cross-sectional area of the gauge length

σ = F /A

NOTE At strain values less than 10 %, the true stress is approximated by the engineering stress, F /A .

F o
3.2
gauge length
length between extensometer measurement points
3.3
strain
true total strain
ε =
where L is the instantaneous length of the gauge section

NOTE At true strain values less than 10 %, ε is approximated by the engineering strain ∆L/L .

© ISO 2003 — All rights reserved 1
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ISO 12106:2003(E)
3.4
cycle
smallest segment of the strain-time function that is repeated periodically
3.5
maximum
greatest algebraic value of a variable within one cycle
3.6
minimum
least algebraic value of a variable within one cycle
3.7
mean
one-half of the algebraic sum of the maximum and minimum values of a variable
3.8
range
algebraic difference between the maximum and minimum values of a variable
3.9
amplitude
half the range of a variable
3.10
fatigue life
number N of cycles that have to be applied to achieve a failure

NOTE Failure criteria are defined, for example, in 7.8. The failure criterion used shall be reported with the results.

3.11
hysteresis loop
closed curve of the stress-strain response during one cycle
4 Symbols
For the purposes of this document, the symbols defined in 4.1 to 4.3 apply.
2 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
4.1 Specimens
See Table 1.
Table 1 — Symbols and designations concerning specimens
Specimen Symbol Designation Unit
L Initial gauge length mm
L Instantaneous gauge length mm
A Initial gauge section mm
A Instantaneous section with AL = A L mm
o o
A Minimum area at failure mm
Transition radius (from parallel length into
r mm
the grip end of the test specimen)
L Total length of specimen mm
Cylindrical
d Diameter of cylindrical gauge section mm
D External diameter of specimen mm
L Length of reduced section mm
Flat-sheet
B Width of gauge section mm
t Thickness mm
W Width of grip end mm
4.2 Fatigue testing
4.2.1 Symbols
E modulus of elasticity, in gigapascals (GPa);

E modulus for unloading following a peak tensile stress (see Figure 1), in gigapascals (GPa);

E modulus for unloading following a peak compression stress (see Figure 1), in gigapascals (GPa);

N number of cycles to failure;
t time to failure (= N cycles), in seconds (s);
f f
σ true stress, in megapascals (MPa);
ε true strain;
∆ range of a parameter;
R 0,2 % proof stress;
p0,2
Rz mean surface roughness, in micrometres (µm);
R stress ratio (=σσ );
min max
R strain ratio =εε ;
( )
ε min max
e strain rate, in seconds to the power of minus one (s ).
© ISO 2003 — All rights reserved 3
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ISO 12106:2003(E)
Figure 1 — Stress-strain hysteresis loop
4.2.2 Subscripts
t total;
p plastic;
e elastic;
a amplitude;
m mean;
1/4 related to first 1/4-cycle;
min minimum;
max maximum.
4 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
4.3 Expression of results
See Table 2.
Table 2 — Symbols and designations concerning the expression of results
Symbol Designation Unit
σ Cyclic yield strength MPa
n Monotonic strain hardening exponent —
n′ Cyclic strain hardening exponent —
K Monotonic strength coefficient MPa
K′ Cyclic strength coefficient MPa
σ Fatigue strength coefficient MPa
b Fatigue strength exponent —
Fatigue ductility coefficient —
Fatigue ductility exponent —
0,2 % offset is typically used.
5 Apparatus
5.1 Test machine
5.1.1 General

The tests shall be carried out on a tension-compression machine designed for a smooth start-up with no

backlash when passing through zero. The machine shall have great lateral rigidity when the crosshead is in

the operating position and accurate alignment between the test space support references.

The complete machine-loading system (including load cell, grips and specimen) shall have great lateral rigidity

and be capable of controlling strain and measuring force when applying the recommended wave cycle. It may

be hydraulic or electromechanical.
5.1.2 Load cell

The load cell shall be designed for tensile-compressive fatigue tests and shall have great axial and lateral

rigidity. Its capacity shall be suitable for the forces applied during the test.

The indicated force as recorded at the output from the computer in an automated system or from the final

output recording device in any non-automated system shall be within the specified permissible variation from

the actual force. The load cell capacity shall be sufficient to cover the range of forces measured during a test

to an accuracy better than 1 % of the reading.

The load cell shall be temperature-compensated and shall not have zero drift or sensitivity variation greater

than 0,002 % of full scale per degree Celsius.

During high-temperature or cryogenic testing, suitable shielding/compensation may be provided for the cell so

it is maintained within its compensation range.
© ISO 2003 — All rights reserved 5
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ISO 12106:2003(E)
5.1.3 Gripping of specimen

The gripping device shall transmit the cyclic forces to the specimen without backlash along its longitudinal axis.

The distance between the grips shall be small to avoid any tendency of the specimen to buckle. The

geometric qualities of the device shall ensure correct alignment in order to meet the requirements specified in

5.1.4; it is therefore necessary to limit the number of components of which these gripping devices are

composed and reduce the number of mechanical interfaces to a minimum.

The gripping device shall ensure that the way in which the specimen is mounted is reproducible. It shall have

surfaces ensuring the alignment of the specimen and surfaces allowing transmission of tensile and

compressive forces without backlash throughout the duration of the test. Materials shall be selected so as to

ensure correct functioning across the test temperature range.
5.1.4 Alignment check

Bending due to misalignment in rigid-grip systems is generally caused by one or more of the following (see

Figure 2): angular offset of the grips, lateral offset of the loading bars (or grips) in an ideally rigid system, an

offset in the load-train assembly in a non-rigid system or (in the case of servo-hydraulic machines) an actuator

rod with side-play in the bearings.

The alignment shall be checked before each series of tests and any time a change is made to the load train.

The bending strains shall be < 5 % of the axial strain at both the maximum and minimum applied strain.

Figure 3 shows a recommended strain gauge configuration for checking alignment. There are other

[17 to 20]

techniques for measuring alignment that are adequate for this purpose. See Annex A for details of

methodology. For an example of an alignment check that includes an elastic-plastic method, see [19].

5.2 Strain measurement
The strain shall be measured from the specimen using an axial extensometer.

The extensometer used shall be suitable for measuring dynamic strain over long periods during which there

shall be minimal drift, slippage and instrument hysteresis. It shall measure directly the axial strain on the

gauge section of the specimen.

The strain-measuring system, including the extensometer and its associated electronics, shall be accurate to

within 1 % of the range of strain applied. The extensometer shall conform to ISO 9513:1999, Class 1.

The geometry of the contact zones and the pressure exerted by the extensometer on the specimen shall be

such that they prevent slippage of the extensometer but do not damage the specimen.

The transducer section of the extensometer shall be protected from thermal fluctuations that give rise to drift.

[10, 14 to 16]
5.3 Heating device and temperature measurement

A uniform rise in temperature shall be ensured without the test temperature being exceeded.

If a direct induction heating system is used, it is advisable to select a generator with a frequency sufficiently

low to prevent “skin effects” on heating.

The heating device shall produce a temperature gradient not exceeding 3 °C over the gauge length of the

specimen and shall ensure, throughout the test, and with due consideration to all combined sources of error,

that deviations between the test temperature and that of the specimen are within 5 °C.

These deviations shall be checked using three thermocouples or other appropriate devices, one at each end

and one in the middle of the gauge length of the specimen.

In a test, the specimen temperature may be measured using thermocouples in contact with the specimen

surface. Direct contact between the thermocouple and the specimen is necessary and shall be achieved

6 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)

without affecting the test results (e.g. crack initiation at the point of contact of the thermocouple shall be

avoided). Commonly used methods of attaching the thermocouples are by binding in place, by pressure or by

resistance spot welding.

The temperature shall be measured by at least one sensor independently of the one used for control purposes.

a) Angular offset b) Lateral offset
c) Load-train offset in a non-rigid system
Figure 2 — Bending mechanisms due to misalignment in fatigue test systems
© ISO 2003 — All rights reserved 7
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ISO 12106:2003(E)
εε−
A2 A1
Bending X-X: ×=100 % A
X-X
εε+
A2 A1
εε−
A3 A4
Bending Y-Y: ×=100 % A
Y-Y
εε+
A3 A4
Bending in plane A: %%AA+<5%
()( )
X-X Y-Y
Shall be repeated for plane C with plane B optional.
No plane is allowed to have bending greater than 5 %.
Figure 3 — Alignment scheme
5.4 Instrumentation for test monitoring
5.4.1 Recording systems

The following systems shall be considered a minimum requirement for the analog recording of data:

 an X-Y recorder used to record stress-strain hysteresis loops;

 a recorder for several time-dependent parameters: force, strain and temperature;

 a peak-to-peak detector.
8 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
Variant 1:

The X-Y recorder may be replaced by an oscilloscope or digital storage device capable of reproducing the

recorded signal either in photographic or analog form. These devices are necessary when the rate of

recording of signals higher than the maximum rate of the recorder. They allow permanent records to be

reproduced subsequently at a lower rate.
Variant 2:

The systems described above may be replaced by a computerized system capable of carrying out the task of

collecting and processing data digitally. The sampling frequency of stress-strain data points shall be sufficient

to ensure correct definition of the hysteresis loop, especially in the regions of strain reversal. Different data

collection strategies will affect the number of data points per loop needed, however. Typically, 200 points per

loop are required.
5.4.2 Cycle counter

A cycle counter is essential for knowing the number of straining cycles. For the majority of the strain rates

used, counters without multiplication factors should suffice.
5.5 Checking and verification

The test machine and its control and measurement systems shall be checked regularly.

Specifically:

Each transducer and its associated electronics shall always be checked as a unit:

 the force-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or national standard;

 the strain-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or national standard;

 the temperature-measuring system(s) shall be verified in accordance with the relevant ISO or national

standard.

It is good practice before each series of tests to check the gauge length of the extensometer, the load cell and

the extensometer calibration using a shunt resistor or another suitable method, and also to check the

thermocouple or pyrometer calibration.
6 Specimens
6.1 Geometry
6.1.1 Products (bars and flat sheets over 5 mm thick)

The gauge portion of the specimen in a low-cycle fatigue test represents a volume element of the material

under study, which implies that the geometry of the specimen shall not affect the use of the results.

This geometry shall fulfil the following conditions:
 provide a uniform cylindrical gauge portion;

 minimize the risk of buckling in compression to avoid failure initiation at the transition radius;

 provide a uniform strain distribution over the whole gauge portion;
 allow the extensometer to measure the strain without interference or slippage.
© ISO 2003 — All rights reserved 9
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ISO 12106:2003(E)

The parallel-sided length of the specimen shall be longer than the extensometer gauge length. However, to

reduce the risk of failure outside the extensometer gauge length, it shall not exceed L + (d/2).

Taking into account these requirements, the experience gained by a large number of laboratories and the

results of calculations taken from different types of specimens (see references [21] to [30] in Bibliography), the

following geometric dimensions (see Figure 4) are recommended:
 diameter of cylindrical gauge length: d = 5 mm
 gauge length: L = 2d
 transition radius (from parallel-sided section to grip end): r = 2d
 external diameter (grip end): D = 2d
 length of reduced section: L < 8d

Other geometric cross-sections and gauge lengths may be used for specimens provided that uniform

distribution of stress and strain in the gauge length is ensured.

It is important that general tolerances for the specimens respect the three following properties:

 parallelism: = 0,005D;
 concentricity: = 0,005D;
 perpendicularity: = 0,005D;
(these values are expressed in relation to the axis or reference plane).

The dimensions of end connections shall be defined as a function of the test machine. Recommended end

connections are as follows:
 threaded connection;
 smooth cylindrical connection (with hydraulic jaws);
 button-end connection.

The test fixture shall locate the specimen and provide axial alignment. It shall not permit backlash. Design of

the test fixture will depend on the specimen end details. A number of examples are given in Figure 5.

In general, designs in which specimen alignment depends entirely on screw threads are not recommended.

10 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
Function of gripping system
Figure 4 — Recommended geometry of cylindrical specimen
6.1.2 Flat products of thickness less than 5 mm
6.1.2.1 General

In general, the considerations discussed in the preceding paragraphs also apply to tests on the above

products. However, these tests require specific geometries and fixtures in order to avoid problems of buckling.

Due to the fact that low loads are generally applied, more sensitive force transducers than usual may be

required. The gripping system may necessitate the use of flat mechanical or hydraulic jaws. However, with the

latter type of assembly it is difficult to ensure correct alignment.

In general, the width of the specimen is reduced in the gauge length to avoid failures in the grips. In some

applications, it might be necessary to add end tabs to increase the grip end thickness as well as to avoid

failure in the grips (see Figure 6).

The correct alignment of the specimen shall be carefully checked with a trial specimen for:

 parallelism and alignment of the grips;
 alignment of specimen with the loading axis.

This verification shall be carried out using a specimen, with a geometry as similar as possible to that of the

test specimen, instrumented with strain gauges on the two faces.
© ISO 2003 — All rights reserved 11
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ISO 12106:2003(E)
a) Button-head fixture b) Button-head or efficiency button-head fixture
c) Threaded-specimen fixture d) Straight-sided (cylindrical) specimen fixture
Key
1 clamp 6 conical split collar
2 body of fixture 7 threaded specimen
3 cylindrical split collar 8 cylindrical specimen
4 button-head specimen 9 body of fixture
5 button-head or efficiency button-head specimen 10 conical chuck

The clamping force shall be greater than the cyclic load to avoid backlash within the specimen fixture.

a d
Clamping force To load train
b e
Flat anvil for specimen alignment Specimen clamping
c f
Cyclic load Flat anvil and specimen end for alignment
Figure 5 — Schematic examples of fixing techniques for various specimen designs
12 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 12106:2003(E)
Key
1 body of fixture
2 conical clamp
3 sheet specimen
4 conical chuck

5 bent end tabs to prevent grip indentation in gripping area (may be held in place by epoxy)

6 rounded end tabs
Clamping force
Cyclic load
Figure 6 — Gripping scheme for flat-sheet specimen
6.1.2.2 Thicknesses between 2,5 mm and 5 mm
It is possible to conduct these tests without anti-buckling restraints.

A possible geometry for a flat specimen is shown in Figure 7. In this case, it is preferable to use an

extensometer positioned on one face of the specimen rather than on the edge.
© ISO 2003 — All rights reserved 13
---------------------- Page: 18 ----------------------
ISO 12106:2003(E)
Dimensions in millimetres
Function of gripping system
Figure 7 — Possible geometry of flat-sheet specimen
6.1.2.3 Thicknesses below 2,5 mm
The use of anti-buckling restraints may be necessa
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 12106
Première édition
2003-03-15
Matériaux métalliques — Essais de
fatigue — Méthode par déformation axiale
contrôlée
Metallic materials — Fatigue testing — Axial-strain-controlled method
Numéro de référence
ISO 12106:2003(F)
ISO 2003
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 12106:2003(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2003 — Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 12106:2003(F)
Sommaire Page

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

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

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

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

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

4 Symboles ............................................................................................................................................... 2

4.1 Éprouvettes ........................................................................................................................................... 3

4.2 Essai de fatigue..................................................................................................................................... 3

4.3 Expression des résultats...................................................................................................................... 5

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

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

5.2 Mesurage de la déformation ................................................................................................................ 6

[10, 14 à 16]

5.3 Dispositif de chauffage et mesurage de la température ................................................... 6

5.4 Instrumentation pour suivi d'essai...................................................................................................... 8

5.5 Contrôle et vérification......................................................................................................................... 9

6 Éprouvettes ........................................................................................................................................... 9

6.1 Géométrie............................................................................................................................................... 9

6.2 Préparation des éprouvettes.............................................................................................................. 15

7 Mode opératoire .................................................................................................................................. 17

7.1 Milieu d'essai en laboratoire .............................................................................................................. 17

7.2 Contrôle de la machine d'essai ......................................................................................................... 17

7.3 Montage de l'éprouvette..................................................................................................................... 18

7.4 Forme du cycle — Vitesse de déformation ou fréquence des cycles ........................................... 18

7.5 Début de l'essai ................................................................................................................................... 18

7.6 Nombre d'éprouvettes ........................................................................................................................ 19

7.7 Enregistrement des données............................................................................................................. 19

7.8 Critères de défaillance........................................................................................................................ 19

7.9 Fin de l'essai........................................................................................................................................ 22

8 Expression des résultats.................................................................................................................... 22

8.1 Données nécessaires ......................................................................................................................... 22

8.2 Données de base................................................................................................................................. 22

8.3 Analyse des résultats ......................................................................................................................... 22

9 Rapport d'essai ................................................................................................................................... 24

9.1 Généralités........................................................................................................................................... 24

9.2 Objectif de l'essai................................................................................................................................ 24

9.3 Matériau................................................................................................................................................ 24

9.4 Éprouvette............................................................................................................................................ 24

9.5 Méthodes d'essai ................................................................................................................................ 25

9.6 Conditions de l'essai .......................................................................................................................... 25

9.7 Présentation des résultats ................................................................................................................. 26

9.8 Valeurs à stocker dans une base de données de fatigue oligocyclique....................................... 27

Annexe A (informative) Exemples de méthodes de vérification de l'alignement....................................... 29

Annexe B (informative) Exemples de représentations graphiques de résultats ....................................... 30

Bibliographie .................................................................................................................................................... 34

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ISO 12106:2003(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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

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.

L'ISO 12106 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,

sous-comité SC 5, Essais de fatigue.
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ISO 12106:2003(F)
Introduction

La conception de composants mécaniques soumis à des chargements de fatigue exige, dans un certain

nombre de secteurs industriels (ingénierie nucléaire, aéronautique, mécanique), la connaissance du

comportement des matériaux sous des conditions de contrôle de déformation réversible (référencé comme

fatigue oligocyclique) s'il y a une plasticité cyclique.

Pour s'assurer de la fiabilité et de la cohérence des résultats de laboratoires différents, il est nécessaire de

recueillir toutes les données en utilisant des méthodes d'essai qui obéissent à un nombre de points-clefs.

La présente Norme internationale concerne l’expression et la présentation des résultats pour les

caractéristiques à la fatigue des matériaux métalliques.
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NORME INTERNATIONALE ISO 12106:2003(F)
Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Méthode par
déformation axiale contrôlée
1 Domaine d'application

La présente Norme internationale spécifie une méthode d’essai de fatigue par déformation axiale contrôlée.

Elle s’applique à des éprouvettes chargées de manière uniaxiale sous contrôle des déformations à amplitude

constante, température uniforme et rapport de déformation R = −1.

La présente Norme internationale peut aussi être utilisée comme lignes directrices pour des essais sous

d'autres conditions.
2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).

ISO 9513:1999, Matériaux métalliques — Étalonnage des extensomètres utilisés lors d'essais uniaxiaux

3 Termes et définitions
[3 à 9]

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.

3.1
contrainte vraie

force instantanée divisée par l'aire instantanée de la section transversale de la longueur de base

σ = F/A

NOTE Pour des valeurs de déformation inférieures à 10 %, la contrainte vraie est prise égale par approximation à la

contrainte conventionnelle, F /A .
F o
3.2
longueur de base
longueur comprise entre les points de mesure de l'extensomètre
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ISO 12106:2003(F)
3.3
déformation
déformation rationnelle totale
ε =
où L est la longueur instantanée de la section calibrée

NOTE Pour des valeurs de déformation rationnelle inférieures à 10 %, ε est prise égale par approximation à la valeur

conventionnelle ∆L/L .
3.4
cycle

plus petit segment de la fonction déformation-temps qui est répété de façon périodique

3.5
maximum
plus grande valeur algébrique d'une variable à l'intérieur d'un cycle
3.6
minimum
plus petite valeur algébrique d'une variable à l'intérieur d'un cycle
3.7
moyenne
demi-somme algébrique des valeurs maximum et minimum d'une variable
3.8
étendue
différence algébrique entre les valeurs maximum et minimum d'une variable
3.9
amplitude
moitié de l'étendue d'une variable
3.10
durée de vie en fatigue
nombre N de cycles appliqués pour remplir un critère de défaillance

NOTE Le critère de défaillance est défini, par exemple, en 7.8. Le critère de défaillance utilisé doit être reporté avec

les résultats.
3.11
cycle d'hystérésis
courbe fermée de la réponse contrainte-déformation pendant un cycle
4 Symboles

Pour les besoins du présent document, les symboles définis de 4.1 à 4.3 s'appliquent.

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ISO 12106:2003(F)
4.1 Éprouvettes
Voir Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles et désignations concernant les éprouvettes
Éprouvette Symbole Désignation Unité
L Longueur de base initiale mm
L Longueur de base instantanée mm
A Section initiale de la partie utile mm
A Section instantanée avec AL = A L mm
o o
A Aire minimale à la rupture mm
Rayon de raccordement (à partir de la
r longueur calibrée jusqu'à la tête mm
d'amarrage de l'éprouvette)
L Longueur totale de l'éprouvette mm
Cylindrique
d Diamètre de la section circulaire calibrée mm
D Diamètre extérieur de l'éprouvette mm
L Longueur de la partie à section réduite mm
Tôle mince
B Largeur de la section calibrée mm
t Épaisseur mm
W Largeur de la tête d'amarrage mm
4.2 Essai de fatigue
4.2.1 Symboles
E module d'élasticité, en gigapascals (GPa);

E module au déchargement après une contrainte de traction de crête (voir Figure 1), en gigapascals

(GPa);

E module au déchargement après une contrainte de compression de crête (voir Figure 1), en gigapascals

(GPa);
N Nombre de cycles jusqu'à la défaillance;
t temps jusqu'à la défaillance (= N périodes du cycle), en secondes (s);
f f
σ contrainte vraie, en mégapascals (MPa);
ε déformation rationnelle;
∆ étendue pour un paramètre;
R limite conventionnelle d'élasticité à 0,2 %;
p0,2
Rz rugosité de surface moyenne, en micromètres (µm);
R rapport de contraintes =σσ ;
( )
min max
R rapport de déformation =εε ;
( )
min max
e vitesse de déformation, en secondes à la puissance moins un (s ).
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ISO 12106:2003(F)
Figure 1 — Cycle d'hystérésis contrainte-déformation
4.2.2 indices
t total;
p plastique;
e élastique;
a amplitude;
m moyen;
1/4 relatif au premier 1/4 cycle;
min minimum;
max maximum.
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4.3 Expression des résultats
Voir Tableau 2.
Tableau 2 — Symboles et désignations concernant l’expression des résultats
Symbole Désignation Unité
Limite d'élasticité cyclique MPa
Coefficient d'écrouissage en chargement monotone —
n′ Exposant d'écrouissage cyclique —
K Coefficient de résistance monotonique MPa
K′ Coefficient de résistance cyclique MPa
Coefficient de résistance à la fatigue MPa
Exposant de résistance à la fatigue —
Coefficient de ductilité à la fatigue —
c Exposant de ductilité à la fatigue —
Une déformation plastique de 0,2 % est généralement utilisée.
5 Appareillage
5.1 Machine d'essai
5.1.1 Généralités

Les essais doivent être menés sur une machine de traction-compression conçue pour un démarrage en

douceur sans jeu au passage par le zéro. La machine doit avoir une grande rigidité latérale quand la tête est

en position de fonctionnement et un alignement précis entre les références des supports de l'espace d'essai.

Le système complet de chargement de la machine (y compris la cellule de charge, les mâchoires et

l'éprouvette) doit avoir une grande rigidité latérale et être capable de contrôler la déformation et de mesurer la

force quand on applique le cycle d'onde recommandé. Il peut être hydraulique ou électromécanique.

5.1.2 Cellule de charge

La cellule de charge doit être conçue pour des essais de fatigue en traction et en compression et doit avoir

une grande rigidité axiale et latérale. Sa capacité doit être adaptée aux forces appliquées au cours de l'essai.

La force indiquée, telle qu'enregistrée en sortie par le calculateur dans un système automatisé ou par

l'appareil-enregistreur de sortie finale dans tout système non automatisé, doit être incluse dans les écarts

admissibles spécifiés par rapport à la force réelle. La capacité de la cellule de charge doit être suffisante pour

couvrir la gamme de forces mesurées pendant un essai à une précision meilleure que 1 % de la lecture.

La cellule de charge doit être compensée en température et ne doit pas avoir de dérive du zéro ni de variation

de sensibilité supérieure à 0,002 % de la pleine échelle par degré Celsius.

Pendant des essais à haute température ou en cryogénie, une protection/compensation convenable peut être

appliquée à la cellule de charge de façon à la maintenir dans sa gamme de compensation.

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ISO 12106:2003(F)
5.1.3 Amarrage de l'éprouvette

Le dispositif d'amarrage doit transmettre les forces cycliques à l'éprouvette sans jeu sur son axe longitudinal.

La distance entre les mâchoires doit être petite pour éviter le flambage de l'éprouvette. Les qualités

géométriques du dispositif doivent assurer un alignement correct pour respecter les exigences spécifiées en

5.1.4; il est donc nécessaire de limiter le nombre de composants dont les dispositifs d'amarrage sont

constitués et de réduire le nombre d'interfaces mécaniques à un minimum.

Les dispositifs d'amarrage doivent assurer un assemblage reproductible de l'éprouvette. Il doit avoir des

surfaces assurant l'alignement de l'éprouvette et des surfaces permettant la transmission des forces de

traction et de compression sans jeu pendant toute la durée de l'essai. Les matériaux doivent être choisis de

façon à assurer un fonctionnement correct sur toute la gamme de température de l'essai.

5.1.4 Vérification de l'alignement

La flexion due à un défaut d'alignement dans des systèmes à mâchoires rigides est généralement causée par

(voir Figure 2): un décalage angulaire des mâchoires pour éprouvettes, un décalage latéral des barres de

chargement (ou l'ensemble mâchoires-éprouvettes) dans un système idéalement rigide, un décalage dans

l'assemblage du système de chargement par rapport à un système non rigide ou (dans le cas de machines

servohydrauliques) une tige d'asservissement avec jeu latéral dans les roulements.

L'alignement doit être vérifié avant chaque série d'essais ou chaque fois qu'un changement est apporté au

système de chargement. Les déformations en flexion doivent être < 5 % de la déformation axiale pour les

deux déformations maximale et minimale appliquées. La Figure 3 représente un exemple recommandé d'une

éprouvette avec alignement calibré par jauges. Il existe d'autres techniques de mesure d'alignement

[17 à 20]

adéquates pour ce but . Voir l'Annexe A pour les détails de la méthodologie. Pour un exemple

d'alignement qui comprend une méthode élastique-plastique, voir [19].
5.2 Mesurage de la déformation

La déformation doit être mesurée sur l'éprouvette au moyen d'un extensomètre axial.

L'extensomètre utilisé doit convenir pour mesurer des déformations dynamiques sur de longues périodes

durant lesquelles il doit y avoir une dérive, un glissement et une hystérésis de l'instrument minimaux. Il doit

mesurer directement la déformation axiale sur la section calibrée de l'éprouvette.

Le système de mesure de déformation, comprenant l'extensomètre et son électronique associée, doit être

précis à 1 % de l'intervalle de la déformation appliquée. L'extensomètre doit être conforme à l'ISO 9513:1999,

Classe 1.

La géométrie des zones de contact et la pression de l'extensomètre sur l'éprouvette doivent être telles

qu'elles empêchent le glissement de l'extensomètre sans endommager l'éprouvette.

La section où se situe le capteur de l'extensomètre doit être protégée des fluctuations thermiques qui

entraînent la dérive.
[10, 14 à 16]
5.3 Dispositif de chauffage et mesurage de la température

Une montée uniforme en température doit être assurée sans dépasser la température de l'essai.

Si un système de chauffage à induction directe est utilisé, il est conseillé de choisir un générateur avec une

fréquence suffisamment basse pour éviter les «effets de peau» pendant le chauffage.

Le dispositif de chauffage doit produire un gradient de température ne dépassant pas 3 °C sur la longueur

calibrée de l'éprouvette, et doit maintenir, durant l'essai et en considérant dûment toutes les sources d'erreur

combinées, les écarts entre la température de l'essai et celle de l'éprouvette dans une fourchette de 5 °C.

Ces écarts doivent être vérifiés à l'aide de trois thermocouples ou d'autres dispositifs appropriés, un à chaque

extrémité et un au milieu de la longueur calibrée de l'éprouvette, respectivement.

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ISO 12106:2003(F)

Dans un essai, la température de l'éprouvette peut être mesurée avec les thermocouples en contact avec la

surface de l'éprouvette. Un contact direct entre le thermocouple et l'éprouvette est impliqué et doit être

effectué sans influencer les résultats de l’essai (par exemple une amorce de fissure au point de contact du

thermocouple doit être évitée). Les méthodes communément employées pour fixer le couple sont les fixations

par soudure, par pression ou par résistance.

La température doit être mesurée par au moins un capteur indépendamment de celui utilisé pour le contrôle.

a) Décalage angulaire b) Décalage latéral
c) Décalage charge-système de chargement dans un système non rigide
Figure 2 — Mécanismes de flexion due à un défaut d'alignement
dans des systèmes d'essai de fatigue
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ISO 12106:2003(F)
εε−
A2 A1
Flexion X-X: ×=100 % A
X-X
εε+
A2 A1
εε−
A3 A4
Flexion Y-Y: ×=100 % A
Y-Y
εε+
A3 A4
Flexion sur le plan A: %%AA+<5%
()( )
X-X Y-Y
Doit impérativement être répété pour le plan C avec le plan B optionnel.
Aucun plan ne peut avoir une flexion supérieure à 5 %.
Figure 3 — Procédure d'alignement
5.4 Instrumentation pour suivi d'essai
5.4.1 Systèmes d'enregistrement

Les systèmes suivants doivent être considérés comme une exigence minimale pour un enregistrement

analogique des données:

 un enregistreur X-Y utilisé pour enregistrer les cycles d'hystérésis contrainte-déformation;

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ISO 12106:2003(F)

 un enregistreur pour plusieurs paramètres dépendant du temps: force, déformation et température;

 un détecteur crête-à-crête.
Variante 1:

L'enregistreur X-Y peut être remplacé par un oscilloscope ou un appareil de stockage digital capables de

reproduire le signal enregistré sous forme soit photographique, soit analogique. Ces appareils sont

nécessaires quand la vitesse des signaux enregistrés est trop élevée par rapport à la vitesse maximale de

l'enregistreur. Ils permettent donc que des enregistrements permanents soient subséquemment reproduits à

une vitesse plus faible.
Variante 2:

Les systèmes décrits ci-dessus peuvent être remplacés par un système informatisé capable de collecter et de

traiter numériquement les données. La fréquence d'échantillonnage des points de données de la courbe

contrainte-déformation doit être suffisante pour assurer une définition correcte du cycle d'hystérésis,

spécialement dans les zones d'inversion des déformations. Des stratégies différentes de recueil des données

ont une influence sur le nombre nécessaire de points de données par boucle; toutefois, 200 points par boucle

sont typiquement exigés.
5.4.2 Compteur de cycles

Un compteur de cycles est essentiel pour connaître le nombre de cycles de déformation. Pour la majorité des

vitesses de déformation utilisées, des compteurs sans facteur de multiplication suffisent.

5.5 Contrôle et vérification

La machine d'essai et ses systèmes de contrôle et de mesure doivent être vérifiés régulièrement.

Spécifiquement:

Chaque capteur et l'électronique associée doivent toujours être vérifiés en tant qu'unité isolée.

 Le(s) système(s) de mesure de force doit (doivent) être vérifié(s) selon la norme ISO ou la norme

nationale appropriée;

 le(s) système(s) de mesure de déformation doit (doivent) être vérifié(s) selon la norme ISO ou la norme

nationale appropriée;

 le(s) système(s) de mesure de température doit (doivent) être vérifié(s) selon la norme ISO ou la norme

nationale appropriée.

Il est de bonne pratique, avant chaque série d'essais, de vérifier la longueur de base de l'extensomètre, les

étalonnages de l'extensomètre et de la cellule de charge à l'aide d'une résistance shunt ou toute autre

méthode convenable et également les étalonnages de thermocouples ou de pyromètres.

6 Éprouvettes
6.1 Géométrie
6.1.1 Produits (barres, tôles plates de plus de 5 mm d'épaisseur)

La partie calibrée de l'éprouvette dans un essai de fatigue oligocyclique représente un élément de volume du

matériau en cours d'étude, ce qui implique que la géométrie de l'éprouvette ne doit pas influencer l'utilisation

des résultats.
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Il faut que cette géométrie remplisse les conditions suivantes:
 fournir une partie calibrée de section circulaire uniforme;

 minimiser le risque de flambement en compression pour éviter une amorce de rupture au rayon de

transition;

 fournir une distribution uniforme de déformations sur toute sa partie calibrée;

 permettre la mesure de la déformation par l'extensomètre sans interférence ou glissement.

La longueur calibrée de l'éprouvette doit être plus longue que la longueur de base de l'extensomètre.

Toutefois, il ne faut pas qu'elle dépasse L + (d/2) pour éviter le risque de rupture en dehors de la longueur de

base de l'extensomètre.

En tenant en compte de ces exigences, l'expérience acquise par un grand nombre de laboratoires et les

résultats de calculs obtenus sur différents types d'éprouvettes (voir les références [21] à [30] dans la

Bibliographie), les dimensions géométriques suivantes (voir Figure 4) sont recommandées:

 diamètre de la longueur calibrée cylindrique: d = 5 mm
 longueur de base: L = 2d
 rayon de transition (de la section calibrée à la tête d'amarrage): r = 2d
 diamètre extérieur (tête d'amarrage): D = 2d
 longueur de la partie à section réduite: L < 8d

Il est possible d'utiliser des sections transversales géométrie et d'autres longueurs de base pour les

éprouvettes, pourvu que la distribution uniforme des contraintes et des déformations dans la longueur de base

soit assurée.

Il est important que les tolérances générales des éprouvettes respectent les trois propriétés suivantes:

 parallélisme: = 0,005D;
 concentricité: = 0,005D;
 perpendicularité: = 0,005D;
(ces valeurs sont exprimées par rapport à l'axe ou au plan de référence).

Les dimensions des raccords d'extrémités doivent être définies en fonction de la machine d'essai. Les

raccords d'extrémités recommandés sont les suivants:
 raccord fileté;
 raccord cylindrique lisse (avec mâchoires hydrauliques);
 raccord avec plot d'extrémité.
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Fonction du système d'amarrage
Figure 4 — Géométrie recommandée d'une éprouvette cylindrique

L'appareillage d'essai doit assurer le positionnement de l'éprouvette et en assurer l'alignement axial. Il n'est

pas permis de jeu. La conception de l'appareil d'essai dépend des détails finaux de l'éprouvette. Des

exemples sont donnés à la Figure 5.

En général, les conceptions dans lesquelles l'alignement des éprouvettes dépend uniquement des filetages

de vis ne sont pas recommandées.
6.1.2 Produits plats ayant une épaisseur inférieure à 5 mm
6.1.2.1 Généralités

En général, les considérations présentées dans les paragraphes précédents s'appliquent aussi

...

Questions, Comments and Discussion

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