ISO 15653:2018
(Main)Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
Metallic materials — Method of test for the determination of quasistatic fracture toughness of welds
ISO 15653:2018 specifies methods for determining fracture toughness in terms of stress intensity factor (K), crack tip opening displacement or CTOD (δ) and experimental equivalent of the J-integral for welds in metallic materials (J). ISO 15653:2018 complements ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness testing of parent metal and which needs to be used in conjunction with this document. This document describes methods for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a way of obtaining a valid R-curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation methods described in this document could be usefully employed when determining R-curves for welds. The methods use fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific target area in the weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within the target area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then, where appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique à la rupture des soudures
ISO 15653:2018 spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en termes de facteur d'intensité de contrainte (K), d'écartement à fond de fissure, CTOD (δ) et d'équivalent expérimental de l'intégrale pour les soudures dans les matériaux métalliques (J). ISO 15653:2018 complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à la rupture du métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. Ce document décrit des méthodes de détermination des valeurs ponctuelles de la ténacité à la rupture. Elle ne doit pas être considérée comme étant une méthode permettant d'obtenir une courbe R valide (résistance à la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites dans la présente Norme internationale peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes R pour les soudures. La présente méthode utilise des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été entaillées, après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites pour évaluer l'adaptabilité d'une soudure à l'emplacement des entailles dans la surface cible qui se trouve soit dans la zone fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas de besoin, pour évaluer l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de la traversée de ces surfaces.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15653
Second edition
2018-01
Metallic materials — Method of test
for the determination of quasistatic
fracture toughness of welds
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la détermination de la
ténacité quasi statique à la rupture des soudures
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and units . 3
5 Principle . 3
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location .4
6.1 Classification of target area for notching . 4
6.2 Specimen design . 4
6.3 Specimen and crack plane orientation . 4
7 Pre-machining metallography. 8
7.1 Microstructural assessment of macrosections . 8
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests . 9
8 Machining. 9
8.1 Tolerances on specimen dimensions . 9
8.2 Notch placement for through-thickness notched specimens .10
8.3 Notch placement for surface-notched specimens.10
8.4 Notch machining .11
9 Specimen preparation .16
9.1 Fatigue precracking .16
9.2 Side grooving .16
10 Test apparatus, requirements and test procedure .16
11 Post-test metallography .16
11.1 General .16
11.2 Through-thickness notched specimens .17
11.2.1 Sectioning .17
11.2.2 Assessment .17
11.3 Surface-notched specimens .17
11.3.1 Sectioning .17
11.3.2 Assessment .17
11.4 Assessment of pop-in .17
12 Post-test analysis .20
12.1 Choice of tensile properties .20
12.2 Determination of fracture toughness .21
12.2.1 K .
Ic 21
12.2.2 δ . 21
12.2.3 J . 22
12.2.4 Shallow-notched bend specimen .22
12.3 Qualification requirements .23
12.3.1 General.23
12.3.2 Weld-width-to-crack-ligament ratio .23
12.3.3 Crack front straightness .23
12.3.4 Symbols used to identify fracture toughness values .25
12.3.5 Through-thickness notched specimens .25
12.3.6 Surface-notched specimens .25
13 Test report .26
Annex A (informative) Examples of notch locations .27
Annex B (informative) Examples of pre-test and post-test metallography .29
Annex C (informative) Residual-stress modification and precracking technique .31
Annex D (normative) Assessment of pop-in .35
Annex E (informative) Shallow-notched bend specimen testing.42
Bibliography .45
iv © ISO 2018 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals,
Subcommittee SC 4, Toughness testing — Fracture (F), Pendulum (P), Tear (T).
This second edition of ISO 15653 cancels and replaces the first edition (ISO 15653:2010), which has
been technically revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— new formulae for the calculation of single-point determination of CTOD (12.2.2) have been added;
— introduction for reverse bending in C.3 has been added;
— assessment of pop-in in D.1 has been clarified;
— new formula for the calculation for single-point determination of CTOD in shallow notched specimens
in E.4 has been added.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 15653:2018(E)
Metallic materials — Method of test for the determination
of quasistatic fracture toughness of welds
1 Scope
This document specifies methods for determining fracture toughness in terms of stress intensity factor
(K), crack tip opening displacement or CTOD (δ) and experimental equivalent of the J-integral for welds
in metallic materials (J).
This document complements ISO 12135, which covers all aspects of fracture toughness testing of parent
metal and which needs to be used in conjunction with this document. This document describes methods
for determining point values of fracture toughness. It should not be considered a way of obtaining a valid
R-curve (resistance-to-crack-extension curve). However, the specimen preparation methods described
in this document could be usefully employed when determining R-curves for welds. The methods use
fatigue precracked specimens which have been notched, after welding, in a specific target area in the
weld. Methods are described to evaluate the suitability of a weld for notch placement within the target
area, which is either within the weld metal or within the weld heat-affected zone (HAZ), and then, where
appropriate, to evaluate the effectiveness of the fatigue crack in sampling these areas.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 12135:2016, Metallic materials — Unified method of test for the determination of quasistatic fracture
toughness
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 12135 and the following apply.
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 https://www.iso.org/obp
3.1
stretch zone width
SZW
increase in crack length associated with crack tip blunting, i.e. prior to the onset of unstable crack
extension, pop-in ( 3.3) or slow stable crack extension, and occurring in the same plane as the fatigue
precrack
3.2
target area
intended fatigue crack tip position within the weld metal (3.7) or HAZ (3.9)
3.3
pop-in
abrupt discontinuity in the force versus displacement record, featured as a sudden increase in
displacement and, generally, a sudden decrease in force, subsequent to which displacement and force
increase to above their values at the initiation of the discontinuity
3.4
local compression
controlled compression applied to specimens in the thickness direction on the unnotched ligament
prior to fatigue cracking using hardened steel platens
Note 1 to entry: See Annex C.
3.5
welding
operation in which two or more parts are united by means of heat, friction, pressure or all three of
these, in such a way that there is continuity in the nature of the metal between these parts
Note 1 to entry: Filler metal, the melting temperature of which is of the same order as that of the parent metal,
may or may not be used.
3.6
weld
union of pieces of metal made by welding (3.5)
3.7
weld metal
all metal melted during the making of a weld (3.6) and retained in the weld
3.8
parent metal
metal to be joined by welding (3.5)
3.9
heat-affected zone
HAZ
zone in the parent metal that is metallurgically affected by the heat of welding (3.5)
3.10
fusion line
FL
junction between the weld metal (3.7) and the parent metal (3.8) heat-affected zone
3.11
weld positional
WP
target position for the fatigue crack tip, defined with respect to a reference line
Note 1 to entry: See Figure A.1 for examples.
3.12
specific microstructure
SM
target microstructure for the fatigue crack tip
Note 1 to entry: See Figure A.2 for examples.
3.13
specimen blank
specimen prepared from weld metal (3.7) plus parent metal (3.8) prior to notching
3.14
post-weld heat treatment
heat treatment applied after welding (3.5) for the purpose of reducing residual stresses or modifying
weld (3.6) properties
2 © ISO 2018 – All rights reserved
4 Symbols and units
For the purposes of this document, the symbols and units given in Table 1 apply in addition to those in
ISO 12135.
Table 1 — Symbols and units
Symbol Unit Designation
d , d mm Lengths of microstructural features associated with pop-in.
1 2
h mm Effective weld width, defined as shortest distance between fatigue crack tip and
weld fusion line within the central 75 % of the thickness (see Figures 13 and 14).
HV10 Vickers hardness using 10 kg force.
N Normal to welding direction.
P Parallel to welding direction.
Q Weld thickness direction.
R MPa 0,2 % offset yield strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
p0,2b
R MPa 0,2 % offset yield strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
p0,2w
R MPa Tensile strength of parent metal at the temperature of the fracture test.
mb
R MPa Tensile strength of weld metal at the temperature of the fracture test.
mw
s mm Distance between crack tip and target area measured in the crack plane
(see Figure 12).
s mm Distance between crack tip and target area measured perpendicular to the
crack plane (see Figure 12).
V mm Crack mouth opening displacement at notch edge in bend specimen and that at
load line in compact specimen.
V mm Displacement measured by clip gauge mounted on knife edges.
g
V mm Displacement measured with the double clip gauge arrangement described
g1
in E.3 and illustrated in Figure E.1.
V mm Displacement measured with the double clip gauge arrangement described
g2
in E.3 and illustrated in Figure E.1.
X Direction parallel to primary grain flow of parent metal.
Y Direction transverse to primary grain flow and to thickness of parent metal.
Z Direction through thickness of parent metal.
Δa mm Maximum length of brittle crack extension (beyond SZW; see 3.1) associated with
pop
pop-in.
λ mm Length of specific microstructure measured in pre-test or post-test metallography
(see Figure B.2).
5 Principle
This document specifies procedures for the determination of fracture toughness on notched-plus-
fatigue-cracked specimens taken from welds. It pertains to situations where the fatigue crack tip is
a) located in relation to a weld feature of interest, referred to as “weld positional” (WP), and
b) specifically located within a microstructure of interest, referred to as “specific microstructure” (SM).
Metallographic examination of the weld is used to confirm that the target weld feature and/or
microstructure is indeed present at the crack tip and in sufficient quantity for testing.
Specimen geometry and notch orientation are chosen, and a fatigue crack then extended from the
specimen's notch tip into the target weld feature or microstructure by applying a controlled alternating
force to the specimen. The purpose of the test is to determine weld fracture toughness in the absence
of significant residual welding stresses. To achieve this and to produce a straight-fronted fatigue crack,
modifications to the fatigue precracking procedure may be required. These modifications are usually
necessary when testing as-welded or partially stress-relieved welds.
The fracture toughness test is performed and evaluated in accordance with ISO 12135, but subject to
additional requirements of this test method regarding post-test analysis (see 12.2.1, 12.2.2 and 12.2.3)
and qualification (see 12.3).
Post-test metallography is often required to make certain that the crack tip was located in the target
weld feature and/or microstructure and to determine the significance of pop-ins.
The sequence of operations is summarized in Figure 1.
6 Choice of specimen design, specimen orientation and notch location
6.1 Classification of target area for notching
A specimen selected for weld positional (WP) testing is intended to test a defined weld region with
respect to a reference position (e.g. the weld metal centreline).
A specimen selected for specific microstructure (SM) testing is intended to sample a specific
microstructure along the whole or part of the crack front length within the central 75 % of the specimen
thickness.
NOTE Some examples of WP and SM notch locations are given in Annex A.
WP weld metal centreline notch locations sampling predominantly grain-refined regions may give
misleading (overly high) values of fracture toughness for misaligned two-pass and parallel multi-pass
welds. For these welds, it is recommended that the SM notch locations shown in Figures A.2 d) and e),
respectively, be used.
6.2 Specimen design
Specimen design shall be of compact or single-edge-notched bend configuration as defined in
ISO 12135 and may be plain-sided or side-grooved. Bend specimens notched into the plate thickness
(see Figures 2, 3 and 4, parent metal specimens XY and YX and weld metal specimens NP and PN) are
referred to as through-thickness notched specimens, while those notched into the planar surface of the
plate (see Figures 2, 3 and 4, parent metal specimens XZ and YZ and weld metal specimens NQ and PQ)
are referred to as surface-notched specimens.
NOTE Tolerances on weld specimen dimensions are less stringent than those for testing parent metal
(see 8.1).
Test specimens shall have the dimension B or W (see Figure 5) equal to the full thickness of the parent
metal adjacent to the weld to be tested (excluding weld overfill).
Testing of sub-sized (i.e. B or W < full thickness in directions Q for weld and Z for parent metal in
Figures 2, 3 and 4) and/or side-grooved specimens is permitted, but shall be properly identified as such
in the test report. Results from sub-sized and/or side-grooved specimens may differ from those from
full-thickness specimens owing to size effects and/or different microstructural regions being tested.
6.3 Specimen and crack plane orientation
Specimen and crack plane orientation relative to the weld and parent metal working directions shall be
defined using the identification system described in Figures 2, 3 and 4.
4 © ISO 2018 – All rights reserved
Choose target area
Choose specimen size
and geometry
Choose notch
orientation
Speciic
microstructure, SM
Weld positional, WP
Pre-test
metallography
Yes Can SM be No
tested?
Prepare blank
Mark notch location
Notch
Modify
Yes
residual stesses
Choose Annex C
No
procedures
Fatigue pre-crack
specimen
Top specimen
Measure specimen
dimensions
and crack length
Post-text
metallography
Pop-in (WP or SM)
WP SM
No metallography Metallography Metallography
Assess pop-in
signiicance
Evaluate result
Report
Figure 1 — Flow chart for testing
X
YZ
Y
YX
XZ
XY
a) Parent metal
PQ
P
PN
N NQ
NP
b) Weld metal
Key
1 rolling direction
N normal to weld direction
P parallel to weld direction
Q weld thickness direction
NOTE 1 The first letter in the designation is the direction normal to the crack plane.
NOTE 2 The second letter in the designation is the expected direction of crack propagation.
NOTE 3 See ISO 3785 for the definitions of X, Y and Z.
Figure 2 — Crack plane orientation codes for fracture toughness
specimens of parent metal and weld metal
As shown in Figure 2, specimen orientations NP and PN shall be referred to as through-thickness
notched, while specimen orientations NQ and PQ shall be referred to as surface-notched.
6 © ISO 2018 – All rights reserved
Q
Z
Y
X
Y
X
3 4
a) Typical butt weld
Z
b) Cruciform joint
Key
1 HAZ
2 weld
3 weld specimen orientation NP/XY
4 weld specimen orientation NP/YX
5 through-crack NP/ZX or NP/ZY
X rolling direction
Q weld thickness direction
NOTE For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack
extension, the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the
parent metal rolling direction as shown in this figure and Figure 4.
Figure 3 — Crack plane orientation code for fracture toughness specimens
for testing the HAZ of a typical butt weld and cruciform joint
Q
NP/X
a) Typical butt weld
NQ/X
NQ/Y
Y
b) Angled cruciform joint
Key
1 rolling direction
NOTE For tests of the HAZ, where the rolling direction of the parent metal may affect resistance to crack
extension, the weld and parent metal orientations may be combined to give both the weld direction and the
parent metal rolling direction as shown in this figure and Figure 3.
Figure 4 — Crack plane orientation codes for fracture toughness specimens
for testing the HAZ at an angle, α, to the parent metal rolling direction
for a typical butt weld and angled cruciform joint
7 Pre-machining metallography
7.1 Microstructural assessment of macrosections
When the notch target area is defined as SM, either separate macrosections or the ends of the welds
shall be prepared with the plane of the section perpendicular to the welding direction. These transverse
weld sections shall bound the length of weld to be tested to ensure that the target microstructure is
present at the expected crack tip position and in sufficient quantity for testing. The macrosections
shall be polished, etched and examined at a magnification suitable to identify the target area prior to
specimen manufacture. Where separate macrosections are prepared, their positions along the weld
shall be recorded.
Examination of the macrosections shall be used to establish that
a) in a through-thickness notched specimen, the intended crack tip is likely to reside in the target area
within the central 75 % of the thickness, and
8 © ISO 2018 – All rights reserved
b) in a surface-notched specimen, the intended crack tip is no more than 0,5 mm from the target area.
If the desired microstructure is not present, there is insufficient quantity to test, or the crack tip
position tolerances cannot be achieved, the weld shall be rejected as unsuitable for testing to the SM
criteria. In this case, a new target area may be selected or a new weld prepared. If the bend specimen is
to be employed and the specific microstructure is available in sufficient quantity to test, but the crack
tip position tolerances cannot be achieved, the shallow-notched specimen testing procedures described
in Annex E may be used by agreement between the parties involved.
Owing to the lower crack tip constraint associated with a shallow notch, the fracture toughness value
determined from a shallow-notched specimen (0,10 ≤ a /W ≤ 0,45) may be higher than that obtained from
o
a standard notched specimen (0,45 ≤ a /W ≤ 0,70) for the same crack tip microstructure. The significance
o
of this potential difference shall be considered when a shallow-notched specimen is to be used.
7.2 Additional requirements for heat-affected zone tests
When the target area is SM in the HAZ, microstructural examinations additional to those in 7.1 shall
be conducted on the polished and etched macrosection to determine whether or not the target
microstructure is within the central 75 % of the thickness and in sufficient quantity for a successful test.
The measured positions and lengths of the target microstructure may optionally be presented in map
form (an example is shown in Annex B). If such a map is drawn, it shall include the full macrosection
thickness, showing the positions of the target microstructure. The percentage of target microstructure
shall be calculated over the central 75 % of the specimen thickness.
Where surface-notched specimens are selected, the macrosection shall be used to confirm that the
target microstructure is present within the range 0,45 ≤ a /W ≤ 0,70.
o
If it is considered unlikely that the fatigue crack tip is placed in accordance with the SM acceptance
criteria, then consideration shall be given to revising the target area, preparing a new weld or using a
shallow-notched specimen as described in 7.1.
8 Machining
8.1 Tolerances on specimen dimensions
Specimen blanks shall be machined from the product so that the target area identified for testing can
be successfully notched. Blanks shall be machined to the dimensional tolerances defined here prior to
notching.
Compact specimens shall meet the dimensional requirements of ISO 12135. Standard bend specimens
shall conform to Figure 5. Shallow-notched bend specimens (see 7.1, 7.2 and Annex E) shall likewise
conform to Figure 5, except that the relative crack length shall be in the range 0,10 ≤ a /W ≤ 0,45.
o
NOTE 1 The dimensional tolerances in Figure 5 for the standard single-edge-notched bend specimen are
intentionally less stringent than those of ISO 12135 in order to minimize alteration of the original weld product.
Weld misalignment, weld distortion and specimen blank curvature (for blanks removed from pipe
sections) shall conform to the requirements of Figure 6. The straightness requirement of 2,5 % of
W on specimen blank sides applies to pipe curvatures (expressed as the ratio of pipe radius to weld
thickness) ≥10. Welded joints not meeting the specified straightness/misalignment requirements shall
be straightened by local bending prior to notching. The points of straightening-force application shall
be located at a minimum distance B from the region to be notched. It is essential that the region to be
notched is not deformed by straightening operations. A method for straightening specimen blanks from
distorted or curved sections is illustrated in Figure 7.
When it is not possible to straighten a specimen blank taken from pipe, a rectangular block of test
material may be cut from the pipe and joined by welding to suitable extension pieces. The total length
of the test block and extension pieces shall give a specimen of sufficient length to satisfy the curvature
requirements of Figure 6. The weld joints shall be sufficiently distant so as not to affect the target
microstructure.
NOTE 2 Laser and electron beam welding processes have proved useful in producing narrow joints with low
distortion between the test block and the extension pieces.
When a full section thickness specimen is intended, machining shall be kept to a minimum in order to
meet the tolerance requirements and the requirements for local compression (see C.2).
Weld overfill shall be machined level with the original product surface.
When the metal thicknesses on each side of the weld differ by 10 % or more, the blank shall be
machined down to the thickness of the thinner side. In such cases, the original and final specimen blank
dimensions shall be reported.
8.2 Notch placement for through-thickness notched specimens
The procedure for through-thickness notch placement for the NP crack plane orientation is illustrated
in Figure 8. Both the surface to be notched (side A) and the opposite surface (side B) are ground and
etched to reveal the weld and HAZ. A reference line is scribed on each prepared surface A and B normal
to the specimen axis ±5° and along the targeted microstructure. These scribed lines are carried over
onto the surfaces normal to the prepared surfaces. A new line is then constructed equidistant between
the carried-over lines. This line is used to delineate the intended plane of the notch to be machined into
surface A.
NOTE This procedure is designed to ensure that the final crack tip is in the targeted microstructure
(especially if it is the HAZ) when the specimen axis in not perpendicular to the weld direction and a /W = 0,5.
o
If a /W ≠ 0,5, the line constructed to delineate the intended plane of the machined notch is adjusted laterally to
o
ensure that the final crack tip is in the targeted microstructure.
8.3 Notch placement for surface-notched specimens
The procedure for surface-notch placement for the NP crack plane orientation is illustrated in Figure 9.
The side surfaces (those at right angles to the surface to be notched) are ground and etched to reveal
the weld metal and HAZ. Reference lines are scribed upwards from the selected target-microstructure
area to the surface to be notched. Perpendiculars emanating from the scribe lines (normal to the
specimen axis ±5°) are marked (again by scribing) on the surface to be notched. A new line is constructed
equidistant between the two lines. This line is used to delineate the intended plane of the machined notch.
NOTE This procedure is designed to ensure that the final crack tip, at the specimen mid-thickness, is in the
targeted microstructure when the specimen axis is not perpendicular to the weld direction.
10 © ISO 2018 – All rights reserved
8.4 Notch machining
Notch machining shall follow the guidelines provided in ISO 12135.
X
B 5%
X
A
0,8
2,3 W 2,3 W
0,2% W A
0,8
2,5% W A
a) Rectangular-section specimen
a
W 2,5%
X
B 5%
X
A
0,8
2,3 W 2,3 W
0,2% W A
0,8
2,5% W A
b) Square-section specimen
a) Rectangular-section specimen b) Square-section specimen
Width = W Width = W
Thickness = B = 0,5W Thickness = B = W
Crack length = a = 0,45W to 0,7W Crack length = a = 0,45W to 0,7W
Loading span = 4W Loading span = 4W
Notch width = 0,062 5W Notch width = 0,062 5W
max max
Specimen straightness; see Figure 6 Specimen straightness; see Figure 6
Figure 5 — Proportional dimensions and tolerances for bend specimens
12 © ISO 2018 – All rights reserved
a
W 2,5%
B
B
10%W
10%W
10%W
B
a) Misalignment b) Misalignment and/or c) Curvature
angular distortion
2,5%W
B
d) Curvature
Key
1 loading points
2 curved surface due to tube radius 4W = span
Figure 6 — Tolerances for misalignment, distortion and curvature
in single-edge-notched bend specimens
4 W
W
4 W
B
a) To reduce angular distortion
B
B
b) To reduce curvature of specimen blank from pipe
(each specimen arm straightened separately)
c) Resultant “gull wing” specimen blank shape
Key
1 applied straightening force
2 weld
Figure 7 — Method for straightening bend specimens
14 © ISO 2018 – All rights reserved
Key
1 reference scribe line A 4 reference scribe line B
2 fusion line 5 side A (notched side)
3 side B (unnotched side) 6 notch
NOTE NP crack plane orientation.
Figure 8 — Notch placement procedure using reference scribe lines
in a through-thickness notched specimen
41 3
Key
1 notch 5 reference scribe line A
2 fusion line 6 side A
3 notched side 7 side B
4 reference scribe line B
NOTE NP crack plane orientation.
Figure 9 — Notch placement procedure in a surface-notched specimen
W
B
90 5
a
W
B
9 Specimen preparation
9.1 Fatigue precracking
Fatigue precracking shall be carried out in accordance with ISO 12135. For specimens where the
intended fatigue crack tip is located in weld metal, the calculation of the maximum fatigue precracking
force, F , and the maximum fatigue stress intensity factor, K , shall be based on the tensile properties of
f f
the weld metal, i.e. the region in which the fatigue crack is to be located. In all other cases, the properties
of the adjacent material with the lowest tensile properties shall be used.
Any post-weld or stress relief heat treatment shall be completed before fatigue precracking.
When possible, use of the shortest fatigue crack length permitted in ISO 12135 is recommended in
order to minimize fatigue crack front bowing and crack deviation from the specified target area.
Problems may occur in meeting the fatigue crack front straightness requirements specified in 12.3.3,
particularly with specimens prepared from as-welded or partially stress-relieved welds. In such
instances, the procedures given in Annex C shall be considered.
NOTE 1 The magnitude and distribution of residual stresses in as-welded and partially post weld heat treated
specimens depend on the material, the welding procedure, the degree of restraint and the post-weld specimen
preparation.
NOTE 2 Residual stresses may (or may not) contribute to uneven fatigue crack extension, and may have an
effect on the resulting fracture toughness determination.
If the specimen is prepared from a post-weld heat-treated weld, then the procedures in Annex C may
not be necessary.
NOTE 3 A straight fatigue crack front may indicate a) low or b) uniform residual stresses in the vicinity of the
crack tip.
If the fatigue precrack does not meet the straightness requirements of 12.3.3, then modifications to the
fatigue precracking procedure shall be made in accordance with Annex C. When such modifications are
made, the fracture toughness result shall be identified as described in 12.3.4.
9.2 Side grooving
Where side grooving is selected, it shall be conducted in accordance with the requirements of ISO 12135.
10 Test apparatus, requirements and test procedure
The apparatus, requirements and procedures for K , δ and J testing shall all be as prescribed in
Ic
ISO 12135.
11 Post-test metallography
11.1 General
Post-test metallography shall be applied to specimens designated for SM testing in order to verify crack
tip placement in the target microstructure. A section containing the fracture face shall be cut from the
specimen. When the target area is the HAZ, the section shall be removed from the side of the specimen
containing the weld metal. This section shall be used for the post-test analysis described in 11.2 and
11.3 to verify the microstructure at the fatigue crack tip.
Post-test sectioning is not required when the target area is WP.
In the case of brittle fracture, verification that the crack tip did indeed sample the specific
microstructure does not guarantee that cleavage initiation necessarily occurred in that microstructure.
16 © ISO 2018 – All rights reserved
Further sectioning and metallography may be necessary (when requested by the customer) to identify
the microstructure at fracture initiation. The recommended sectioning procedures are the same as
those described for the assessment of pop-in and are given in Annex D.
11.2 Through-thickness notched specimens
11.2.1 Sectioning
The through-thickness notched specimen shall be sectioned in a plane perpendicular to the fracture
surface, behind the fatigue crack tip, at a position within 2 mm of the maximum fatigue precrack length,
and shall include the fatigue crack over the central 75 % of the specimen thickness (B or B for side-
N
grooved specimens) (see Figure 10, section A). The cut surface shall be examined metallographically to
ensure that the fatigue crack did indeed sample the specific microstructure.
11.2.2 Assessment
The prepared metallographic surface shall be examined to ensure that the fatigue crack tip front
sampled the SM and that the SM was located within the central 75 % of the specimen thickness (B or
B ). A microstructural map shall be prepared which records the positions and lengths of the specific
N
microstructure features within the central 75 % of the specimen thickness (B or B ). An example of a
N
specimen notched into the HAZ is shown in Annex B.
11.3 Surface-notched specimens
11.3.1 Sectioning
If the specimen fractures by cleavage, the fracture surface shall be examined at a suitable magnification
to identify the initiation site, and at least one section shall be taken as close as possible to this position.
If only stable crack extension has occurred, the section shall be taken at the maximum fatigue precrack
length. The plane of the section shall be perpendicular to the notch/crack plane (see Figure 11).
NOTE Identification of the fracture initiation site may be done visually, but may require the aid of optical
microscopy or scanning electron microscopy.
11.3.2 Assessment
The prepared metallographic surface shall be examined to ensure that the fatigue crack tip sampled
the SM. If the SM lies ahead of the fatigue crack tip, the minimum separation distance, s , shall be
measured to an accuracy of ±0,05 mm [for NQ crack plane orientation, see Figure 12 a)]. If the specific
microstructure lies to one side of the fatigue crack tip, the separation distance, s , shall be measured to
an accuracy of ±0,05 mm [see Figure 12 b)].
NOTE It might be necessary to section both fracture surfaces to establish these distances.
11.4 Assessment of pop-in
Pop-ins giving both force drops and displacement increases of less than 1 % shall be ignored. All other
pop-ins shall be considered significant unless shown to be insignificant by the fractographic and
metallographic procedures described in Annex D.
NOTE The criteria for the assessment of pop-in described in ISO 12135 are intended for testing homogeneous
material and may be inappropriate for welds which are, in general, inhomogeneous. Experience indicates that,
for weld testing, the size of the pop-in is usually related to the extent of brittle material present at the crack
tip. Small changes in crack tip position can alter the size of the pop-in. Hence the criteria for assessing pop-in in
ISO 12135 may be inappropriate for welds.
Dimensions in millimetres
Key
1 section B
2 section A
3 cuts
4 fatigue precrack tip
5 notch
6 surface to be examined (polish and etch)
7 fatigue crack
Figure 10 — Post-test sectioning procedure to identify microstructure at fatigue crack
in a through-thickness notched specimen
18 © ISO 2018 – All rights reserved
0,75B
B
W
Key
1 cuts
2 notch
3 fatigue crack
4 surface to be examined (polish and etch)
Figure 11 — Post-test sectioning of a surface-notched specimen
B
W
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15653
Deuxième édition
2018-01
Matériaux métalliques — Méthode
d'essai pour la détermination de la
ténacité quasi statique à la rupture
des soudures
Metallic materials — Method of test for the determination of
quasistatic fracture toughness of welds
Numéro de référence
©
ISO 2018
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2018
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en oeuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et unités (et abréviations) . 3
5 Principe . 4
6 Choix du type d'éprouvette, de l’orientation et de l’emplacement d’entaille .4
6.1 Classification de la surface cible pour l’entaillage . 4
6.2 Type d’éprouvette. 4
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure . 5
7 Métallographie avant usinage . 9
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques . 9
7.2 Exigences supplémentaires concernant les essais en zone affectée thermiquement .10
8 Usinage .10
8.1 Tolérances relatives aux dimensions de l’éprouvette .10
8.2 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées dans l’épaisseur .11
8.3 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées en surface .11
8.4 Usinage de l'entaille .11
9 Préparation de l’éprouvette .16
9.1 Préfissuration par fatigue .16
9.2 Rainurage latéral .17
10 Appareillage d'essai, exigences et mode opératoire d’essai .17
11 Examen métallographique après essai .17
11.1 Généralités .17
11.2 Éprouvettes entaillées dans l’épaisseur .17
11.2.1 Coupe .17
11.2.2 Caractérisation .17
11.3 Éprouvettes entaillées en surface .18
11.3.1 Coupe .18
11.3.2 Caractérisation .18
11.4 Caractérisation des pop-ins .18
12 Analyse après essai .21
12.1 Choix des propriétés de traction .21
12.2 Détermination de la ténacité à la rupture.22
12.2.1 K .
Ic 22
12.2.2 δ . 22
12.2.3 J . 23
12.2.4 Éprouvettes de flexion entaillées peu profondément .23
12.3 Exigences de qualification .24
12.3.1 Généralités .24
12.3.2 Rapport de la largeur de soudure au ligament de la fissure .24
12.3.3 Rectitude du front de fissure .24
12.3.4 Symboles utilisés pour identifier les valeurs de ténacité à la rupture .26
12.3.5 Éprouvettes entaillées dans l’épaisseur.26
12.3.6 Éprouvettes entaillées en surface .26
13 Rapport d'essai .27
Annexe A (informative) Exemple d'emplacements de l'entaille .28
Annexe B (informative) Exemples d’examens métallographiques avant essai et après essai .30
Annexe C (informative) Modification des contraintes résiduelles et technique de préfissuration .32
Annexe D (normative) Caractérisation des pop-ins.36
Annexe E (informative) Essais sur éprouvette à entaille peu profonde .42
Bibliographie .45
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/avant-propos.
Ce document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 164, Essais mécaniques des métaux,
sous comité SC 4, Essais de ténacité — Essais de ténacité — Fracture (F), Pendulum (P), Déchirage (T).
Cette deuxième édition annule et remplace la première (ISO 15653:2010), qui a fait l'objet d'une révision
technique.
Les principales modifications par rapport à la précédente édition sont les suivantes:
— Nouvelle formule pour le calcul de la détermination en seul point du CTOD (12.2.2) a été ajoutée
— L’introduction pour la flexion inversée en C.3 a été ajoutée
— L’évaluation du pop-in en D.1 a été clarifiée
— Nouvelle formule pour le calcul de la détermination en seul point du CTOD dans les éprouvettes à
entaille peu profonde en E.4 a été ajoutée
NORME INTERNATIONALE ISO 15653:2018(F)
Matériaux métalliques — Méthode d'essai pour la
détermination de la ténacité quasi statique à la rupture
des soudures
1 Domaine d'application
Ce document spécifie des méthodes permettant de déterminer la ténacité à la rupture en termes
de facteur d'intensité de contrainte (K), d’écartement à fond de fissure, CTOD (δ) et d’équivalent
expérimental de l'intégrale pour les soudures dans les matériaux métalliques (J).
Ce document complète l'ISO 12135, qui couvre tous les aspects des essais de ténacité à la rupture du
métal de base et qui doit être utilisée conjointement avec le présent document. Ce document décrit
des méthodes de détermination des valeurs ponctuelles de la ténacité à la rupture. Elle ne doit pas
être considérée comme étant une méthode permettant d'obtenir une courbe R valide (résistance à
la propagation de fissure). Cependant, les méthodes de préparation des éprouvettes décrites dans la
présente Norme internationale peuvent être employées utilement lors de la détermination des courbes
R pour les soudures. La présente méthode utilise des éprouvettes préfissurées par fatigue qui ont été
entaillées, après soudage, dans une surface cible spécifique de la soudure. Les méthodes sont décrites
pour évaluer l'adaptabilité d'une soudure à l’emplacement des entailles dans la surface cible qui se
trouve soit dans la zone fondue soit dans la zone de soudure affectée thermiquement (ZAT) puis, en cas
de besoin, pour évaluer l'efficacité de la fissuration par fatigue lors de la traversée de ces surfaces.
2 Références normatives
Les documents suivants, sont référencés de telle façon dans le texte que leur contenu en partie ou en
totalité constitue des exigences pour le 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 12135:2016, Matériaux métalliques — Méthode unifiée d’essai pour la détermination de la ténacité
quasi statique
3 Termes et définitions
Pour les besoins de ce document, les termes et définitions données dans l’ISO 12135 ainsi que les
suivants s'appliquent.
L’ISO et le CEI maintiennent des bases de données terminologiques pour l’utilisation en normalisation
disponibles aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https://www.iso.org/obp
3.1
largeur de la zone d’émoussement
LZE
augmentation de la longueur de fissure associée à l'émoussement à l’extrémité de la fissure; c’est-à-dire,
avant le début de la propagation instable de fissure, de pop-in (3.3) ou de la propagation lente de fissure,
et survenant dans le même plan que la fissure de fatigue
3.2
surface cible
position prévue de l’extrémité de la fissure de fatigue dans la zone fondue (3.7)ou la ZAT (3.9)
3.3
pop-in
discontinuité brutale dans l'enregistrement de la force en fonction du déplacement, caractérisée par une
augmentation soudaine du déplacement accompagnée généralement par une diminution soudaine de la
force, après quoi le déplacement et la force croissent de nouveau au-delà de leurs valeurs respectives au
début de la discontinuité
3.4
compression locale
compression contrôlée appliqué aux éprouvettes dans le sens de l'épaisseur sur le ligament non entaillé
avant la fissuration par fatigue en utilisant des plateaux en acier trempé,
Note 1 à l'article: voir Annexe C
3.5
soudage
opération au cours de laquelle au moins deux pièces sont unifiées par chaleur, frottement, pression ou
les trois, de façon à ce que la nature du métal entre ces pièces soit continue
Note 1 à l'article: à l’article On peut utiliser du métal d’apport dont la température de fusion est du même ordre de
grandeur que celle du métal de base.
3.6
soudure
union de pièces de métal par soudage (3.5)
3.7
zone fondue
totalité du métal fondu pendant la fabrication d’une soudure (3.6) et retenu dans la soudure
3.8
métal de base
métal à assembler par soudage (3.5)
3.9
zone affectée thermiquement
ZAT
zone du métal de base dont la structure métallurgique est affectée par la chaleur du soudage (3.5)
3.10
ligne de fusion
LF
jonction entre la zone fondue (3.7) et la zone affectée thermiquement du métal de base (3.8)
3.11
position de la soudure
S
position cible pour l’extrémité de la fissure de fatigue définie par rapport à une ligne de référence
Note 1 à l'article: voir Figure A.1 pour les exemples
3.12
microstructure spécifique
MS
microstructure cible pour l’extrémité de la fissure de fatigue
Note 1 à l'article: voir Figure A.2 pour les exemples
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
3.13
ébauche d’éprouvette
éprouvette préparée à partir de zone fondue (3.7) et de métal de base (3.8) avant entaillage
3.14
traitement thermique après soudage
traitement thermique appliqué après soudage (3.5) afin de réduire les contraintes résiduelles ou de
modifier les propriétés de la soudure (3.6)
4 Symboles et unités (et abréviations)
Pour les besoins du présent document, les symboles et les unités donnés dans le Tableau 1 s'appliquent
en plus de ceux de l'ISO 12135.
Tableau 1 — Symboles, unités
Symbole Unité Désignation
d , d mm Longueurs des caractéristiques microstructurales associées au pop-in.
1 2
h mm Largeur de soudure efficace, définie comme étant la distance la plus courte entre
l’extrémité de la fissure de fatigue et la ligne de fusion de la soudure dans les 75 %
centraux de l'épaisseur, (voir Figures 13 et 14).
HV10 Dureté Vickers utilisant une force de 10 kg.
N Dans le plan normal à la direction de soudage.
P Dans le plan parallèle à la direction de soudage.
Q Direction suivant l’épaisseur de la soudure.
R MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % du métal de base à la température de
p0,2b
l’essai de rupture.
R MPa Limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 % de la zone fondue à la température de
p0,2w
l’essai de rupture.
R MPa Résistance à la traction du métal de base à la température de l’essai de rupture.
mb
R MPa Résistance à la traction de la zone fondue à la température de l’essai de rupture.
mw
s mm Distance entre l’extrémité de la fissure et la surface cible mesurée dans le plan de
fissure, (voir Figure 12).
s mm Distance entre l’extrémité de la fissure et la surface cible mesurée perpendiculaire-
ment au plan de fissure, (voir Figure 12).
V mm Écartement à fond de fissure au bord d’entaille pour les éprouvettes de flexion et à la
ligne de charge pour les éprouvettes compactes.
V mm Déplacement mesuré par extensomètre monté sur les bords de couteau.
g
V mm Déplacement mesuré par l’arrangement d’extensomètre double décrit en E.3 et illus-
g1
tré à la Figure E.1.
V mm Déplacement mesuré par l’arrangement d’extensomètre double décrit en E.3 et illus-
g2
tré à la Figure E.1.
X Direction parallèle au fibrage principal du métal de base.
Y Direction transversale au fibrage principal du métal de base.
Z Direction à travers l’épaisseur du métal de base.
Δa mm Longueur maximale de la propagation de fissure fragile (au-delà de la LZE, voir 3.1)
pop
associée au pop-in.
λ mm Longueur de la microstructure spécifique mesurée lors de la métallographie avant
ou après l’essai, (voir Figure B.2).
5 Principe
Ce document spécifie des modes opératoires permettant de déterminer la ténacité à la rupture sur des
éprouvettes entaillées et préfissurées par fatigue prélevées dans des soudures. Elle s’applique dans les
cas où l’extrémité de la fissure est:
a) située par rapport à une caractéristique de soudure d’intérêt, appelée «position de la soudure» (S); et
b) spécifiquement située dans une microstructure d’intérêt, appelée «microstructure spécifique» (MS).
L’examen métallographique de la soudure est utilisé pour confirmer que la caractéristique de soudure
cible et/ou la microstructure est bien présente au niveau de l’extrémité de la fissure et en quantité
suffisante pour l’essai.
La géométrie et l’orientation de l’entaille de l’éprouvette sont choisies et une fissure de fatigue est
ensuite propagée depuis l’extrémité de l’entaille de l’éprouvette dans la caractéristique de soudure
cible ou la microstructure en appliquant une force alternative contrôlée sur l’éprouvette. L’objectif de
l’essai est de déterminer la ténacité à la rupture de la soudure en l’absence de contraintes de soudage
significatives. Pour obtenir un matériau sans contrainte et pour produire une fissure de fatigue à
front droit, des modifications peuvent être apportées à la méthode de préfissuration par fatigue. Ces
modifications sont généralement nécessaires lorsque des soudures brutes de soudage ou dont les
contraintes résiduelles sont partiellement relaxées sont caractérisées.
L’essai de ténacité à la rupture est réalisé et caractérisé conformément à l’ISO 12135, mais est soumis
aux exigences supplémentaires de la présente méthode d’essai concernant l’analyse (12.2.1, 12.2.2
et 12.2.3) et la qualification (12.3) après essai.
Un examen métallographique après essai est souvent nécessaire pour vérifier que l’extrémité de
la fissure se situait dans la zone et/ou la microstructure cible de la soudure et pour déterminer
l’importance des pop-ins.
L’ordre des opérations est résumé à la Figure 1.
6 Choix du type d'éprouvette, de l’orientation et de l’emplacement d’entaille
6.1 Classification de la surface cible pour l’entaillage
Une éprouvette sélectionnée pour l’essai de la soudure (S) est destinée à tester une région de soudure
définie par rapport à une position de référence (par exemple, l'axe de la zone fondue).
Une éprouvette sélectionnée pour l’essai de la microstructure spécifique (MS) est destinée à
échantillonner une microstructure spécifiée sur tout ou partie de la longueur du front de fissure dans
les 75 % centraux de l’épaisseur de l’éprouvette.
NOTE Des exemples d’emplacements d'entaille S et MS sont donnés dans l’Annexe A.
Les emplacements d'entaille sur l'axe de la zone fondue S échantillonnant en majorité les régions
affinées peuvent donner des valeurs erronées (trop élevées) de ténacité à la rupture pour les soudures
en deux passes désalignées et multi-passes parallèles. Pour ces soudures, il est recommandé d’utiliser
les emplacements d’entaille SM décrits aux Figures A.2 d) et e), respectivement.
6.2 Type d’éprouvette
L’éprouvette doit être une éprouvette de flexion trois points ou compacte, comme il est défini dans
l’ISO 12135 et peut avoir des côtés lisses ou comporter des rainures latérales. Les éprouvettes de flexion
entaillées dans l’épaisseur de la tôle (voir Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XY et YX, et
éprouvettes de zone fondue NP et PN) sont appelées éprouvettes entaillées dans l’épaisseur, tandis que
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
celles entaillées dans la surface plane de la tôle (Figures 2, 3 et 4, éprouvettes de métal de base XZ et YZ,
et éprouvettes de zone fondue NQ et PQ) sont appelées éprouvettes entaillées en surface.
NOTE Les tolérances relatives aux dimensions de l’éprouvette de soudure sont moins strictes que celles
relatives à l'essai du métal de base, (voir 8.1).
Les éprouvettes doivent avoir une dimension B ou W (voir Figure 5) égale à l’épaisseur totale du métal
de base adjacent à la soudure à caractériser (à l’exclusion du bourrelet du cordon de soudure).
L’essai d’éprouvettes de section réduite (c’est-à-dire, B ou W < épaisseur totale dans les directions Q pour
la soudure et Z pour le métal de base dans les Figures 2, 3 et 4) et/ou à rainures latérales est autorisé,
mais doit être clairement identifié en tant que tel dans le rapport d’essai. Les résultats des éprouvettes
à section réduite et/ou à rainures latérales peuvent être différents de ceux des éprouvettes d’épaisseur
totale en raison des effets de taille et/ou des différentes régions microstructurales caractérisées.
6.3 Orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure
L’orientation de l'éprouvette et du plan de la fissure par rapport aux directions de travail de la zone fondue
et du métal de base doit être définie à l’aide du système d’identification décrit dans les Figures 2, 3 et 4.
Figure 1 — Logigramme des essais
6 © ISO 2018 – Tous droits réservés
X
YZ
Y
YX
XZ
XY
a) métal de base
PQ
P
PN
N NQ
NP
b) zone fondue
Légende
1 sens de laminage
N dans le plan normal à la direction de soudage
P dans le plan parallèle à la direction de soudage
Q direction suivant l'épaisseur de la soudure
NOTE 1 Première lettre: direction normale au plan de la fissure.
NOTE 2 Deuxième lettre: direction prévue de la propagation de la fissure.
NOTE 3 Voir l'ISO 3785 pour la définition de X, Y et Z.
Figure 2 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les éprouvettes de ténacité à la
rupture du métal de base et de la zone fondue
Comme indiqué à la Figure 2, les orientations des éprouvettes NP et PN sont dites entaillées dans
l'épaisseur, tandis que les orientations des éprouvettes NQ et PQ sont dites entaillées en surface.
Q
Z
Y
X
Y
X
3 4
a) joint normal bout-à-bout de raboutage
Z
b) assemblage en croix
Légende
1 ZAT
2 soudure
3 orientation de l'éprouvette de soudure NP/XY
4 orientation de l'éprouvette de soudure NP/YX
5 fissure traversante NP/ZX ou NP/ZY
X direction de laminage, X
Q direction de l’épaisseur de soudure
NOTE Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance
à la propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme il est indiqué dans cette
Figure et à la Figure 4).
Figure 3 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les essais en zone thermiquement
affectée pour les éprouvettes de ténacité pour un joint normal bout-à-bout de raboutage et pour
un assemblage en croix
8 © ISO 2018 – Tous droits réservés
Q
NP/X
a) joint normal bout-à-bout de raboutage
NQ/X
NQ/Y
Y
b) assemblage en croix coudé
Légende
1 direction de laminage, X
NOTE Pour les essais de la ZAT, lorsque la direction de laminage du métal de base peut affecter la résistance
à la propagation de la fissure, les orientations de la zone fondue et du métal de base peuvent être combinées pour
donner la direction de soudage et la direction de laminage du métal de base, comme il est indiqué dans cette
Figure et à la Figure 3).
Figure 4 — Code d'orientation du plan de fissuration pour les essais en zone affectée
thermiquement à un angle, α, du sens de laminage du métal de base pour les éprouvettes de
ténacité de joint normal bout-à-bout de raboutage et de l'assemblage en croix coudé
7 Métallographie avant usinage
7.1 Évaluation microstructurale des sections macrographiques
Lorsque la surface cible de l’entaille est définie comme étant MS, soit les sections macrographiques
séparées soit les extrémités des soudures doivent être préparées de telle façon que le plan de la
section soit perpendiculaire à la direction de soudage. Ces sections de soudure transversales doivent
correspondre à la longueur de soudure à tester pour garantir la présence de la microstructure cible
au niveau de la position prévue de l’extrémité de la fissure et en quantité suffisante pour l'essai. Les
sections macrographiques doivent être polies, attaquées et examinées à un grossissement permettant
d’identifier la surface cible avant de fabriquer une éprouvette. Si des sections macrographiques séparées
sont préparées, leur position sur la soudure doit être consignée.
L’examen des sections macrographiques doit être utilisé pour établir que l’extrémité de la fissure prévue:
a) pour une éprouvette entaillée dans l’épaisseur, est susceptible de se trouver dans la surface cible
dans les 75 % centraux de l’épaisseur; et
b) pour une éprouvette entaillée en surface, n’est pas éloignée de plus de 0,5 mm par rapport à la
surface cible.
Si la microstructure souhaitée est absente, si la quantité à tester est insuffisante ou si les tolérances
de position de l’extrémité de la fissure ne peuvent pas être atteintes, la soudure doit être rejetée et
considérée comme inappropriée pour l’essai selon les critères MS. Dans ce cas, une nouvelle surface
cible peut être sélectionnée, ou une nouvelle soudure préparée. Si l’éprouvette de flexion doit être
utilisée et si la microstructure spécifiée est disponible en quantité suffisante pour l’essai, mais si les
tolérances de position de l’extrémité de la fissure ne peuvent pas être atteintes, les méthodes d’essai de
l’éprouvette entaillée peu profondément décrites à l’Annexe E peuvent être utilisées après accord des
parties impliquées.
En raison de la contrainte inférieure de l’extrémité de la fissure associée à une entaille peu profonde,
la valeur de ténacité à la rupture déterminée à partir d’une éprouvette entaillée peu profondément
(0,10 ≤ a /W ≤ 0,45) peut être supérieure à celle obtenue à partir d’une éprouvette entaillée normalisée
o
(0,45 ≤ a /W ≤ 0,70) pour la même microstructure à l'extrémité de la fissure. L’importance de cette
o
différence potentielle doit être prise en compte lorsqu’une éprouvette entaillée peu profondément doit
être utilisée.
7.2 Exigences supplémentaires concernant les essais en zone affectée thermiquement
Lorsque la surface cible est MS dans la ZAT, des examens microstructuraux en plus de ceux de 7.1 doivent
être réalisés sur la section macrographique polie et attaquée pour déterminer si la microstructure cible
est ou non dans les 75 % centraux de l’épaisseur et en quantité suffisante pour un essai réussi.
Les positions et longueurs mesurées de la microstructure cible peuvent aussi être présentées sous
forme de cartographie (un exemple est décrit en l’Annexe B). Si une telle cartographie est réalisée,
elle doit inclure l’épaisseur totale de la section macrographique, tout en indiquant les positions de la
microstructure cible. Le pourcentage de microstructure cible doit être calculé par rapport aux 75 %
centraux de l'épaisseur de l'éprouvette.
Si des éprouvettes entaillées en surface sont sélectionnées, la section macrographique doit être utilisée
pour confirmer la présence de la microstructure cible dans la gamme 0,45 ≤ a et W ≤ 0,70.
o
Si on considère comme improbable le placement réussi de l’extrémité de la fissure de fatigue
conformément aux critères d’acceptation de la MS, il faut envisager une révision de la surface cible,
préparer une nouvelle soudure ou utiliser une éprouvette entaillée peu profondément, comme il est
décrit en 7.1.
8 Usinage
8.1 Tolérances relatives aux dimensions de l’éprouvette
Les ébauches d'éprouvette doivent être usinées afin que la surface cible pour l’essai puisse être entaillée
avec succès. Les ébauches doivent être usinées aux tolérances dimensionnelles définies ici avant
entaillage.
Les éprouvettes compactes doivent répondre aux exigences dimensionnelles de l’ISO 12135. Les
éprouvettes de flexion normalisées doivent être conformes à la Figure 5. Les éprouvettes de flexion
entaillées peu profondément (voir 7.1, 7.2 et Annexe E) doivent également être conformes à la Figure 5,
hormis que la longueur de fissure relative doit être dans la gamme 0,10 ≤a /W ≤ 0,45.
o
NOTE 1 Les tolérances dimensionnelles indiquées à la Figure 5 pour l’éprouvette en flexion trois points
normalisée sont intentionnellement moins strictes que celles de l’ISO 12135 afin de minimiser l’altération du
produit soudé initial.
Le désalignement de la soudure, la distorsion et la courbure de l’ébauche d’éprouvette (pour les ébauches
prélevées dans des sections de tubes) doivent être conformes aux exigences de la Figure 6. L’exigence de
rectitude de 2,5 % de W relative aux côtés de l’ébauche d’éprouvette s’applique aux courbures de tubes
10 © ISO 2018 – Tous droits réservés
(exprimée sous forme de rapport du rayon du tube à l’épaisseur de soudure) ≥ 10. Les joints soudés ne
répondant pas aux exigences de rectitude/désalignement spécifiées doivent être redressés par flexion
locale avant entaillage. Les points d’application de la force de redressage doivent être situés à une
distance minimale B de la région à entailler. Il est essentiel que la région à entailler ne soit pas déformée
par les opérations de redressage. Une méthode de redressage des ébauches d’éprouvette des sections
déformées ou courbées est illustrée à la Figure 7
S’il est impossible de redresser une ébauche d’éprouvette prélevée d’un tube, un bloc rectangulaire de
matériau d’essai peut être découpé dans le tube et joint par soudage à des extensions appropriées. La
longueur totale du bloc d’essai et des extensions doit comprendre une éprouvette de longueur suffisante
pour répondre aux exigences de courbure de la Figure 6. Les joints soudés doivent être suffisamment
éloignés pour ne pas affecter la microstructure cible.
NOTE 2 Les processus de soudage au laser ou par faisceau d’électrons se sont avérés utiles pour produire des
joints étroits à faible distorsion entre le bloc d’essai et les extensions.
Si une éprouvette d’épaisseur de section complète est souhaitée, l’usinage doit être maintenu à un
niveau minimal pour répondre aux exigences de tolérance et de compression locale (voir Article C.2).
Le bourrelet de soudure doit être arasé au même niveau que la surface du produit initial.
Si les épaisseurs de métal sur l’un des côtés de la soudure varient de 10 % ou plus, l’ébauche doit être
usinée de façon à atteindre l'épaisseur du côté le plus mince. Dans ce cas, les dimensions initiales et
finales de l’ébauche d’éprouvette doivent être consignées.
8.2 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées dans l’épaisseur
La méthode d’emplacement de l'entaille dans l’épaisseur pour un plan d’orientation de la fissure NP est
illustrée à la Figure 8. La surface à entailler (Côté A) et la surface opposée (Côté B) sont rectifiées et
attaquées pour révéler la soudure et la ZAT. Une ligne de découpe est tracée sur les surfaces préparées A
et B dans le plan normal à l'axe de l'éprouvette ± 5° et le long de la microstructure cible. Ces lignes de
découpe sont ensuite reportées sur les surfaces dans le plan normal aux surfaces. Une nouvelle ligne
est alors réalisée équidistante entre les lignes reportées. Cette ligne est utilisée pour délimiter le plan
prévu de l'entaille usinée dans la surface A.
NOTE Cette procédure est conçue pour veiller à ce que la pointe de la fissure finale soit dans la microstructure
ciblée (surtout si elle est en ZAT) lorsque l'axe de l’éprouvette n’est pas perpendiculaire à la direction de la soudure
et a /W = 0,5 . Si a /W ≠ 0,5, la ligne construite pour délimiter le plan de l'ébauche destinée à l’entaille usinée est
o o
ajustée latéralement pour faire en sorte que la pointe de la fissure finale se trouve dans la microstructure cible.
8.3 Emplacement de l'entaille des éprouvettes entaillées en surface
La méthode d’emplacement de l'entaille en surface pour le plan d’orientation de fissure NP est illustrée à
la Figure 9. Les surfaces latérales (celles à angle droit par rapport à la surface à entailler) sont rectifiées
et attaquées pour révéler la zone fondue et la ZAT. Des lignes de référence sont tracées vers le haut,
depuis la microstructure cible sélectionnée jusqu’à la surface à entailler. Les perpendiculaires émanant
des lignes de découpe (dans le plan normal à l’axe de l’éprouvette ± 5°) sont marquées (une fois encore
par traçage) sur la surface à entailler. Une nouvelle ligne est réalisée équidistante entre les 2 lignes.
Cette ligne est utilisée pour délimiter le plan prévu de l'entaille usinée.
NOTE Cette procédure est conçue pour veiller à ce que la pointe de la fissure finale, à la demi-épaisseur
de l’éprouvette soit dans la microstructure ciblée lorsque l'axe de l’éprouvette n’est pas perpendiculaire à la
direction de la soudure.
8.4 Usinage de l'entaille
L’usinage de l'entaille doit être conforme aux recommandations de l’ISO 12135.
X
B 5%
X
A
0,8
2,3 W 2,3 W
0,2% W A
0,8
2,5% W A
a) Éprouvette à section rectangulaire
X
B 5%
X
0,8 A
2,3 W 2,3 W
0,2% W A
0,8
2,5% W A
b) Éprouvette à section carrée
a) Éprouvette à section rectangulaire b) Éprouvette à section carrée
Largeur = W Largeur = W
Épaisseur B = 0,5 W Épaisseur = B = W
Longueur de fissure = a = 0,45 W à 0,7 W Longueur de fissure = a = 0,45 W à 0,7 W
12 © ISO 2018 – Tous droits réservés
a
a
W 2,5%
W 2,5%
B
B
Ecartement des points de chargement = 4 W Ecartement des points de chargement = 4 W
Largeur de l'entaille = 0,062 5 W Largeur de l'entaille = 0,062 5 W
max max
Rectitude de l'éprouvette, voir Figure 6 Rectitude de l'éprouvette, voir Figure 6
Figure 5 — Dimensions et tolérances proportionnelles pour les éprouvettes de flexion
10%W
10%W
10%W
B
a) Désalignement b) Désalignement et/ou distor- c) Courbure
sion angulaire
4 W
2,5%W
B
d) Courbure
Légende
1 points de chargement
2 surface courbée en raison du rayon du tube écartement = 4 W
Figure 6 — Tolérances de désalignement, distorsion et courbure dans des éprouvettes de
flexion trois points
B
a) Pour réduire la distorsion angulaire
B
1 1
B
b) Pour réduire la courbure de l’ébauche d'éprouvette prélevée dans un tube
(redressage séparé de chaque extrémité de l'éprouvette)
14 © ISO 2018 – Tous droits réservés
4 W
W
c) Ébauche d'éprouvette en forme de «moustache»
Légende
1 force de redressage appliquée
2 soudure
Figure 7 — Méthode de redressage de l'éprouvette de flexion
Légende
1 ligne de référence tracée A 4 ligne de référence tracée B
2 ligne de fusion 5 côté A (côté entaillé)
3 côté B (côté non entaillé) 6 entaille
NOTE plan d’orientation de fissure NP.
Figure 8 — Méthode d’emplacement de l'entaille à l'aide des lignes de référence tracées dans
une éprouvette entaillée dans l'épaisseur
W
B
41 3
Légende
1 entaille 5 ligne de référence tracée A
2 ligne de fusion 6 côté A
3 côté de l’entaille 7 côté B
4 ligne de référence tracée B
NOTE plan d’orientation de fissure NP.
Figure 9 — Méthode d’emplacement de l'entaille dans une éprouvette entaillée en surface
(orientation du plan de fissure NP)
9 Préparation de l’éprouvette
9.1 Préfissuration par fatigue
La préfissuration par fatigue doit être réalisée conformément à l’ISO 12135. Pour les éprouvettes
dans lesquelles l’extrémité de la fissure de fatigue se trouve dans la zone fondue, le calcul de la force
maximale de préfissuration par fatigue, F , et du facteur maximal d’intensité de contrainte de fatigue,
f
K , doit reposer sur les propriétés de traction de la zone fondue; c’est-à-dire, la région dans laquelle la
f
fissure de fatigue doit être située. Dans tous les autres cas, les propriétés du matériau adjacent dont les
propriétés de traction sont les plus faibles doivent être utilisées.
Tout traitement thermique après soudage ou de relaxation des contraintes résiduelles doit être terminé
avant la préfissuration par fatigue.
Dans la mesure du possible, l’utilisation de la plus courte longueur de fissure de fatigue autorisée dans
l’ISO 12135 est recommandée afin de minimiser toute cambrure du front de fissure de fatigue et toute
déviation de fissure par rapport à la surface cible spécifiée.
Des problèmes de conformité aux exigences de rectitude du front de fissure de fatigue selon 12.3.3
peuvent survenir, en particulier avec les éprouvettes préparées à partir de soudures brutes de soudage
ou dont les contraintes résiduelles sont partiellement relaxées. Dans ce cas, les méthodes décrites à
l’Annexe C doivent être prises en compte.
NOTE 1 L'amplitude et la répartition des contraintes résiduelles dans les éprouvettes brutes de soudage ou
partiellement traitées thermiquement après soudage dépendent du matériau, du mode opératoire de soudage, du
degré de bridage et de la préparation de l'éprouvette après soudage.
NOTE 2 Les contraintes résiduelles peuvent (ou ne peuvent pas) contribuer à la propagation irrégulière de la
fissure de fatigue, et peuvent avoir un effet sur la détermination de la ténacité à la rupture qui en résulte.
16 © ISO 2018 – Tous droits réservés
B
90 5
a
W
Si l’éprouvette est préparée à partir d’une soudure dont les contraintes résiduelles sont relaxées, alors
les méthodes de l’Annexe C peuvent être inutiles.
NOTE 3 Un front de fissure de fatigue droit peut indiquer des contraintes résiduelles (a) faibles ou (b)
uniformes à proximité de l’extrémité de la fissure.
Si la fissure de fatigue ne répond pas aux exigences de rectitude de 12.3.3, alors des modifications
doivent être apportées à la méthode de préfissuration par fatigue, conformément à l’Annexe C. Si ces
modifications sont effectuées, le résultat de la ténacité à la rupture doit être identifié comme il est
décrit en 12.3.4.
9.2 Rainurage latéral
Si le rainurage latéral est choisi, il doit être réalisé conformément aux exigences de l’ISO 12135.
10 Appareillage d'essai, exigences et mode opératoire d’essai
L’appareillage d'essai, les exigences et le mode opératoire relatifs aux essais K , δ and J doivent tous être
Ic
conformes à l’ISO 12135.
11 Examen métallographique après essai
11.1 Généralités
Un examen métallographique après essai doit être appliqué aux éprouvettes conçues pour l’essai SM
afin de vérifier l’emplacement de l’extrémité de la fissure dans la microstructure cible. Une section
contenant la face de rupture doit être découpée de l’éprouvette. Lorsque la surface cible est la ZAT,
la section doit être prélevée du côté de l’éprouvette contenant la zone fondue. Cette section doit être
utilisée pour l’analyse après essai décrite en 11.2 et 11.3 pour vérifier la microstructure à l’extrémité de
la fissure de fatigue.
La coupe après essai n’est
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.