ISO 20505:2023

NORME ISO
INTERNATIONALE 20505
Deuxième édition
2023-10
Céramiques techniques — Propriétés
mécaniques des céramiques
composites à température ambiante
— Détermination de la résistance
au cisaillement interlaminaire
et du module de cisaillement des
composites renforcés par des fibres
continues, par la compression
d’éprouvettes à double entaille et par
l’essai Iosipescu
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) —
Mechanical properties of ceramic composites at room temperature —
Determination of the interlaminar shear strength and shear modulus
of continuous-fibre-reinforced composites by the compression of
double-notched test pieces and by the Iosipescu test
Numéro de référence
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Principe. 4
4.1 Généralités . 4
4.2 Essai à double entaille . 4
4.3 Essai Iosipescu . 4
5 Appareillage . 5
5.1 Machine d’essai . 5
5.2 Système de mise en charge . 5
5.2.1 Généralités . 5
5.2.2 Dispositifs d’essai . 6
5.3 Jauges de déformation pour éprouvette Iosipescu . 8
5.4 Acquisition de données . 9
5.5 Dispositifs de mesure des dimensions . 9
6 Éprouvettes. 9
6.1 Éprouvettes à double entaille . 9
6.2 Éprouvette Iosipescu . 11
7 Préparation des éprouvettes .12
7.1 Usinage et préparation . 12
7.2 Collage des jauges . 12
7.3 Nombre d’éprouvettes . 12
8 Modes opératoires d’essai .13
8.1 Vitesse de déplacement . 13
8.2 Mesurage des dimensions des éprouvettes . 13
8.3 Conduite de l’essai . 13
8.3.1 Montage des éprouvettes . 13
8.3.2 Mesurages. 14
8.4 Validité de l’essai . 15
9 Calcul des résultats .16
9.1 Résistance au cisaillement . 16
9.1.1 Éprouvettes à double entaille . 16
9.1.2 Éprouvette Iosipescu . 17
9.2 Cisaillement (essai Iosipescu) . 17
9.3 Courbes contrainte-cisaillement . 17
9.4 Modules de cisaillement élastique et pseudo-élastique . 18
9.5 Statistiques . 18
10 Rapport d’essai .19
Annexe A (informative) Vérification du champ de contraintes de cisaillement dans l’essai
Iosipescu .20
Bibliographie .21
iii
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner
l’utilisation d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et
à l’applicabilité de tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent
document, l’ISO n’avait pas reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa
mise en application. Toutefois, il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent
document que des informations plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de
brevets, disponible à l’adresse www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 206, Céramiques techniques.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 20505:2005), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— révision du domaine d’application afin d’introduire la possibilité de mesurer le module de cisaillement
interlaminaire en utilisant un échantillon Iosipescu équipé de jauges;
— ajout de nouvelles entrées à l’Article 3;
— spécification en 5.3 et 7.2 des exigences relatives à l’échantillon Iosipescu équipé de jauges;
— définition en 9.3, 9.4 et 9.5 des formules de calcul du module de cisaillement;
— ajout de l’orientation du matériau à la Figure 2 et la Figure 3;
— ajout d’un paragraphe concernant la validité de l’essai (8.4);
— mise à jour du Tableau 1 et du Tableau 2;
— remplacement de l’Annexe A par une méthode de vérification du champ de contraintes de
cisaillement dans l’essai Iosipescu pour s’assurer qu’il n’y a aucun effet de couplage qui empêcherait
la détermination des caractéristiques de cisaillement interlaminaire du matériau en utilisant le
présent document;
iv
— modifications mineures d’ordre rédactionnel;
— structure révisée;
— symboles et notation modifiés conformément à l’ISO 19634.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
NORME INTERNATIONALE ISO 20505:2023(F)
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques
des céramiques composites à température ambiante
— Détermination de la résistance au cisaillement
interlaminaire et du module de cisaillement des
composites renforcés par des fibres continues, par la
compression d’éprouvettes à double entaille et par l’essai
Iosipescu
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode permettant de déterminer la résistance au cisaillement
interlaminaire à température ambiante, par la compression d’une éprouvette à double entaille,
ainsi qu’une autre méthode pour déterminer la résistance au cisaillement interlaminaire et le module
de cisaillement à température ambiante par l’essai Iosipescu. Le présent document s’applique à tous
les composites à matrice céramique renforcés par des fibres continues, présentant une architecture de
fibres unidirectionnelle (1D), bidirectionnelle (2D) et multidirectionnelle (xD, avec x > 2), la majeure
partie du renfort étant constituée d’un empilement de strates.
Le présent document s’applique au développement et à la comparaison de matériaux ainsi qu’à
l’assurance de la qualité, la caractérisation, la fiabilité et la production de données de conception.
La méthode plus simple d’essai de compression d’une éprouvette à double entaille s’applique uniquement
lorsque la résistance au cisaillement doit être mesurée.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 3611, Spécification géométrique des produits (GPS) — Équipement de mesurage dimensionnel :
Micromètres d’extérieur — Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques
ISO 7500-1, Matériaux métalliques — Étalonnage et vérification des machines pour essais statiques
uniaxiaux — Partie 1: Machines d'essai de traction/compression — Étalonnage et vérification du système
de mesure de force
ISO 17161, Céramiques techniques — Céramiques composites — Détermination du degré de non-alignement
lors des essais mécaniques uniaxiaux
ISO 19634, Céramiques techniques — Céramiques composites — Notations et symboles
ISO 20507, Céramiques techniques — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 20507 et l’ISO 19634
ainsi que les suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/ .
3.1
section de cisaillement
section située entre les entailles de l’éprouvette
Note 1 à l'article: Étant donné l’orientation de l’éprouvette (voir Figures 2 et 3), le plan de cisaillement est
orthogonal à la direction 3 et parallèle à l’empilement de strates (plans 1, 2). Par conséquent, le mécanisme de
cisaillement apparaît entre les strates des composites et les propriétés de cisaillement résultantes, par rapport à
la définition donnée dans l’ISO 20507, sont dites «interlaminaires».
3.2
aire initiale de la section de cisaillement
S
aire de la section de cisaillement avant essai entre les entailles de l’éprouvette à température ambiante
3.3
aire de la section de cisaillement
S
e
aire de la section effective de l’éprouvette sollicitée en cisaillement à température ambiante
Note 1 à l'article: Cette aire de la section effective sollicitée en cisaillement est déterminée lorsqu’une rupture
valide se produit dans un plan parallèle au plan de cisaillement dans une éprouvette Iosipescu.
3.4
force de cisaillement
F
force parallèle à la section de cisaillement, supportée par l’éprouvette à tout moment pendant l’essai de
cisaillement
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Légende
F force de cisaillement L hauteur de l’élément cubique
γ cisaillement δ déplacement
Figure 1 — Force de cisaillement et cisaillement
3.5
force de cisaillement maximale
F
m
force maximale parallèle à la section de cisaillement, appliquée au cours d’un essai ou au moment de la
rupture
3.6
résistance au cisaillement interlaminaire
σ
ILSS,m,i,3
rapport de la force de cisaillement maximale sur l’aire initiale de la section de cisaillement
Note 1 à l'article: Par rapport à l’orientation du matériau définie dans l’ISO 19634, l’indice «i» désigne la direction
de la charge par rapport à l’orientation du matériau, et l’indice «3» l’orientation orthogonale du matériau par
rapport au plan de cisaillement (voir Figures 2 et 3).
3.7
cisaillement
γ
variation d’angle entre deux côtés adjacents d’un élément de volume cubique soumis à des contraintes
de cisaillement
Note 1 à l'article: Bien que le cisaillement soit défini sous forme d’angle, pour les petites déformations,
cette mesure devient le rapport du déplacement δ sur la hauteur de l’élément sous contrainte L (voir Figure 1).
3.8
déformation
ε
ij
ε
θ
rapport du déplacement sur la longueur initiale de la jauge de déformation
Note 1 à l'article: Les indices «ij» et «θ» indiquent l’orientation de la jauge de déformation par rapport à
l’orientation de l’éprouvette.
3.9
contrainte de cisaillement
σ
ILSS i,3
rapport de la force de cisaillement sur l’aire initiale de la section de cisaillement à tout moment pendant
l’essai
Note 1 à l'article: Par rapport à l’orientation du matériau définie dans l’ISO 19634, l’indice «i» désigne la direction
de la charge par rapport à l’orientation du matériau, et l’indice «3» l’orientation orthogonale du matériau par
rapport au plan de cisaillement (voir Figures 2 et 3).
3.10
zone de mesure
partie de l’éprouvette, dans le plan perpendiculaire à la direction 1 ou 2 (voir Figures 2 et 3), située entre
les entailles
3.11
module de cisaillement élastique
G
i,3
rapport de la contrainte de cisaillement sur le cisaillement
Note 1 à l'article: Pour une utilisation générale, le plan de référence pour G est défini par les axes i et 3.
i,3
Note 2 à l'article: Si le plan est défini par l’axe normal, le module élastique est noté G .
i
3.12
module de cisaillement pseudo-élastique
G
p,i,3
pente de la partie linéaire ne débutant pas à l’origine de la courbe contrainte-cisaillement, si elle existe,
G étant défini sous forme de coefficient de proportionnalité:
p,i,3
′′ ′
σ−σ
′″ ILSS ILSS
G,σσ =
()
p,i,3ILSS, ILSS
″′
γ−γ
où (γ’, σ’ ) et (γ”, σ” ) se situent sur la partie linéaire de la courbe contrainte-cisaillement
ILSS ILSS
Note 1 à l'article: Pour une utilisation générale, le plan de référence pour G est défini par les axes i et 3.
p,i,3
Note 2 à l'article: Si le plan est défini par l’axe normal, le module élastique est noté G .
pi
Note 3 à l'article: Pour un matériau présentant un comportement contrainte-déformation non linéaire, seuls des
couples contrainte-déformation peuvent être fixés.
4 Principe
4.1 Généralités
La résistance au cisaillement interlaminaire des composites céramiques renforcés par des fibres
continues, telle que déterminée par le présent document, peut être mesurée par la compression
d’éprouvettes à double entaille ou par l’essai Iosipescu. Le module de cisaillement interlaminaire doit
être mesuré par l’essai Iosipescu.
NOTE L’essai est réalisé à une vitesse de déplacement constante, jusqu’à la rupture.
4.2 Essai à double entaille
Une éprouvette à double entaille de largeur uniforme est sollicitée en compression afin d’induire une
rupture par cisaillement entre deux entailles centrales usinées jusqu’à mi-épaisseur et équidistantes
sur les faces opposées (voir Figure 2).
NOTE Plusieurs tentatives ont été faites pour mesurer le cisaillement et le module de cisaillement sur une
éprouvette à double entaille en utilisant une jauge de déformation virtuelle via une analyse par corrélation
d’images numériques. Cependant, les résultats ne sont pas suffisamment homogènes pour valider la détermination
du module de cisaillement par cette méthode d’essai.
4.3 Essai Iosipescu
Une éprouvette comportant deux entailles centrales en V (voir Figure 3) est soumise à un déplacement
de sa partie B parallèlement au plan des strates, alors que sa partie A est maintenue fixe.
Le déplacement de la partie B par rapport à la partie A génère un champ de cisaillement présumé
uniforme dans la zone de mesure.
La force et le déplacement sont mesurés et enregistrés simultanément, ce qui permet de déterminer
ensuite le module de cisaillement et la résistance au cisaillement.
NOTE Avant la rupture, pour un niveau de contrainte de cisaillement élevé, les jauges de déformation ont
souvent tendance à se décoller. Par conséquent, cette méthode d’essai ne convient pas pour obtenir une courbe
contrainte-cisaillement valide au voisinage de la résistance au cisaillement interlaminaire.
Les Figures 2 et 3 représentent schématiquement les éprouvettes utilisées.
Compte tenu de l’orientation de l’empilement de strates par rapport aux entailles et des définitions de
l’ISO 19634 concernant l’orientation du matériau, il est possible de définir σ et G (ou G ) ainsi
ILSS,13 13 1
que σ et G (ou G ).
ILSS,23 23 2
Figure 2 — Représentation schématique d’une éprouvette à double entaille sollicitée
en compression
Figure 3 — Représentation schématique d’une éprouvette Iosipescu
5 Appareillage
5.1 Machine d’essai
La machine doit être équipée d’un système de mesure de la force appliquée à l’éprouvette qui doit être
de classe 1 ou mieux, conformément à l’ISO 7500-1.
5.2 Système de mise en charge
5.2.1 Généralités
La configuration du système de mise en charge doit permettre de s’assurer que l’effort indiqué par la
cellule dynamométrique et l’effort supporté par l’éprouvette sont identiques.
Le système de mise en charge doit aligner le plan de cisaillement avec la direction d’application de
l’effort. Le non-alignement de l’éprouvette doit être vérifié à température ambiante et documenté
conformément au mode opératoire décrit dans l’ISO 17161.
5.2.2 Dispositifs d’essai
5.2.2.1 Éprouvettes à double entaille pour essai de compression
La flexion des éprouvettes de cisaillement soumises à des charges uniaxiales (pendant la compression
d’éprouvettes à double entaille) peut entraîner ou favoriser une répartition non uniforme des
contraintes qui peut modifier l’état de contrainte uniforme souhaité au cours de l’essai.
Il existe différents types de dispositifs permettant d’éviter le flambage pendant la compression des
éprouvettes à double entaille. Un premier type de dispositif se compose d’un élément fixe monté sur
une embase, d’un élément qui se fixe sur la traverse de la machine d’essai, et de deux mors servant à
maintenir l’éprouvette en position. La Figure 4 décrit schématiquement ce type de dispositif d’essai.
Un second type est constitué d’un dispositif d’essai anti-flambage simple, dans lequel l’éprouvette est
maintenue en position à l’aide d’une plaque qui serre l’éprouvette contre un élément fixe monté sur une
embase. La Figure 5 est une représentation schématique d’un tel dispositif.
Figure 4 — Exemple de dispositif anti-flambage pour la compression d’une éprouvette
à double entaille
Figure 5 — Exemple de dispositif anti-flambage pour la compression d’une éprouvette
à double entaille
5.2.2.2 Éprouvette Iosipescu
Ce dispositif d’essai se compose d’un élément fixe monté sur une embase, et d’une plaque mobile capable
d’une translation verticale guidée par un montant rigide. L’élément mobile est fixé sur la traverse de la
machine d’essai. Chaque élément serre la moitié de l’éprouvette pour la maintenir en position, à l’aide
d’une mâchoire auto-serrante qui peut compenser de légères variations de largeur de l’éprouvette. Une
distance de 13 mm est laissée sans appui entre les deux éléments du dispositif d’essai. Il est recommandé
d’utiliser un outil d’alignement pour s’assurer que l’entaille de l’éprouvette est alignée avec la ligne
d’action du dispositif d’essai. La Figure 6 est une photographie d’un dispositif d’essai disponible dans
le commerce pour l’essai Iosipescu, alors que la Figure 7 est une représentation schématique de ce
dispositif d’essai.
Pour l’essai Iosipescu, les dispositifs d’essai doivent être conçus de manière à appliquer la force dans le
plan de cisaillement, perpendiculairement à l’axe longitudinal de l’éprouvette. Ils doivent permettre le
déplacement de la partie B par rapport à la partie A (voir Figure 3).
Les dispositifs d’essai doivent permettre un montage précis de l’éprouvette, de sorte que les entailles
soient à mi-chemin entre les points de chargement.
Les dispositifs d’essai doivent empêcher toute sollicitation qui ne correspondrait pas à un cisaillement
plan. Cela doit être vérifié à l’aide d’une éprouvette témoin en matériau homogène et isotrope, équipée
de jauges de déformation sur les faces avant et arrière, placées tel que spécifié en 5.3.
L’éprouvette témoin doit être sollicitée au moins jusqu’à 50 % de la charge de rupture attendue pour
le matériau soumis à l’essai, et les valeurs données par les quatre jauges de déformation doivent être
relevées. La moyenne des valeurs des jauges doit être calculée.
Les valeurs
...