ISO 4255:2025
(Main)Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites at high temperature — Determination of axial tensile properties of tubes
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites at high temperature — Determination of axial tensile properties of tubes
This document specifies the conditions for determination of the axial tensile properties of ceramic matrix composite (CMC) tubes with continuous fibre-reinforcement at elevated temperature in air, vacuum and inert gas atmospheres. The applicability of this document is specific to tubular geometries because fibre architecture and specimen geometry factors in composite tubes are distinctly different from those in flat specimens. This document provides information on the axial tensile properties and stress-strain response in temperature, such as axial tensile strength, axial tensile strain at failure and elastic constants. The information can be used for material development, control of manufacturing (quality insurance), material comparison, characterization, reliability and design data generation for tubular components. This document addresses, but is not restricted to, various suggested test piece fabrication methods. This document is primarily applicable to ceramic matrix composite tubes with a continuous fibrous-reinforcement: unidirectional (1D, filament winding and tape lay-up), bi-directional (2D, braid and weave) and multi-directional (xD, with x > 2), tested along the tube axis.
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites céramiques à haute température — Détermination des propriétés en traction axiale de tubes
Le présent document spécifie les conditions de détermination des propriétés en traction axiale de tubes composites à matrice céramique (CMC) avec renfort de fibres continues à température élevée sous air, sous vide et dans les atmosphères de gaz inerte. L’applicabilité du présent document est spécifique aux composites à matrice céramique tubulaire dont la géométrie est étroitement liée à la nature de l’architecture fibreuse différente de celles d’éprouvettes planes. Le présent document donne des informations sur les propriétés en traction axiale et la réponse contrainte-déformation en fonction de la température, comme la résistance et la déformation en traction axiale à rupture et les constantes élastiques. Les informations peuvent être utilisées pour le développement de matériaux, le contrôle de fabrication (assurance qualité), la comparaison de matériaux, la caractérisation, ou encore pour la production de données fiables pour le dimensionnement et la conception de composants tubulaires. Le présent document traite, sans s’y limiter, de pièces pouvant être élaborées par différentes voies. Le présent document est principalement applicable aux tubes composites à matrice céramique avec renfort de fibres continues unidirectionnel (enroulement filamentaire et disposition en bande 1D), bidirectionnel (tressage et tissage 2D) et multidirectionnel (xD, avec x > 2), soumis à l’essai suivant l’axe du tube.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 4255
First edition
Fine ceramics (advanced ceramics,
2025-07
advanced technical ceramics) —
Mechanical properties of ceramic
composites at high temperature
— Determination of axial tensile
properties of tubes
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites
céramiques à haute température — Détermination des propriétés
en traction axiale de tubes
Reference number
© ISO 2025
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Principle . 4
5 Apparatus . 5
5.1 Testing machine . .5
5.2 Gripping system . .5
5.2.1 Test specimen gripping.5
5.2.2 Location and temperature of grips .5
5.2.3 Load train couplers .6
5.3 Test chamber and heating set-up .6
5.4 Heating apparatus .7
5.5 Strain measurement .7
5.5.1 General .7
5.5.2 Extensometers.7
5.5.3 Digital image correlation .8
5.6 Temperature measurement devices .8
5.7 Data recording system .8
5.8 Dimension-measuring devices .9
6 Tubular test specimen . 9
6.1 Specimen specifications .9
6.1.1 General .9
6.1.2 Dimension .9
6.1.3 Geometry commonly used .9
6.1.4 Tolerances and variability .11
6.2 Specimen preparation .11
6.2.1 General .11
6.2.2 As-fabricated .11
6.2.3 Application-matched machining .11
6.2.4 Customary practices . 12
6.2.5 Standard procedure . . . 12
6.3 End collars and alignment issue . 12
6.4 Test count and test specimens sampling .14
7 Test procedure . 14
7.1 Temperature considerations .14
7.1.1 General .14
7.1.2 Controlled temperature zone .14
7.1.3 Temperature measurement .14
7.2 Test set-up: other considerations .14
7.3 Testing technique . 15
7.3.1 Measurement of test specimen dimensions . 15
7.3.2 Instrumentation of the test specimen . 15
7.3.3 Specimen mounting . 15
7.3.4 Setting-up of strain measurement means . 15
7.3.5 Setting-up of inert atmosphere .16
7.3.6 Heating of test specimen and temperature control .16
7.3.7 Measurements .16
7.3.8 Post-test analyses .17
7.4 Test validity .17
8 Calculation of results . 17
8.1 Test specimen origin .17
iii
8.2 Engineering axial tensile stress and strain .18
8.3 Tensile strength .18
8.4 Strain at maximum tensile force .19
8.5 Tensile modulus .19
8.5.1 Calculation of tensile modulus .19
8.5.2 Calculation of tensile elastic modulus with linear region . 20
8.5.3 Stress for materials with non-linear stress-strain curve . 20
8.6 Poisson’s ratio (optional) . 20
8.7 Statistics . 20
9 Test report .21
9.1 General .21
9.2 Testing information . .21
9.3 Test specimen and material .21
9.3.1 Tubular test specimen drawing or reference .21
9.3.2 Description of the test material .21
9.4 Equipment and test parameters .21
9.4.1 Testing machine type and configuration .21
9.4.2 Temperature and force measurement description .21
9.4.3 Test mode and test rate . 22
9.4.4 Strain measurement description . 22
9.5 Test results . 22
10 Uncertainties .22
Annex A (informative) Illustration of tensile modulus .23
Bibliography .26
iv
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 document 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).
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rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a)
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this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
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constitute an endorsement.
For an explanation of 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 www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 206, Fine ceramics, in collaboration with
the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 184, Advanced technical
ceramics, in accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna
Agreement).
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
International Standard ISO 4255:2025(en)
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical
ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites at
high temperature — Determination of axial tensile properties
of tubes
1 Scope
This document specifies the conditions for determination of the axial tensile properties of ceramic matrix
composite (CMC) tubes with continuous fibre-reinforcement at elevated temperature in air, vacuum and
inert gas atmospheres. The applicability of this document is specific to tubular geometries because fibre
architecture and specimen geometry factors in composite tubes are distinctly different from those in flat
specimens.
This document provides information on the axial tensile properties and stress-strain response in
temperature, such as axial tensile strength, axial tensile strain at failure and elastic constants. The
information can be used for material development, control of manufacturing (quality insurance), material
comparison, characterization, reliability and design data generation for tubular components.
This document addresses, but is not restricted to, various suggested test piece fabrication methods.
This document is primarily applicable to ceramic matrix composite tubes with a continuous fibrous-
reinforcement: unidirectional (1D, filament winding and tape lay-up), bi-directional (2D, braid and weave)
and multi-directional (xD, with x > 2), tested along the tube axis.
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 3611, Geometrical product specifications (GPS) — Dimensional measuring equipment — Design and
metrological characteristics of micrometers for external measurements
ISO 7500-1, Metallic materials — Calibration and verification of static uniaxial testing machines — Part 1:
Tension/compression testing machines — Calibration and verification of the force-measuring system
ISO 9513, Metallic materials — Calibration of extensometer systems used in uniaxial testing
ISO 17161, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Ceramic composites —
Determination of the degree of misalignment in uniaxial mechanical tests
ISO 19634, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Ceramic composites — Notations
and symbols
ISO 20507, Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Vocabulary
IEC 60584-1, Thermocouples — Part 1: EMF specifications and tolerances
ASTM E2208-02, Standard Guide for Evaluating Non-Contacting Optical Strain Measurement Systems
3 Terms and definitions
For the purpose of this document, the terms and definitions given in ISO 19634 and ISO 20507 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
test temperature
T
temperature of the test piece at the centre of the gauge length
3.2
calibrated length
l
part of the test specimen that has uniform and minimum cross-section area
3.3
gauge length
L
initial distance between reference points on the test specimen in the calibrated length (3.2)
3.4
controlled temperature zone
part of the calibrated length (3.2) including the gauge length (3.3) where the temperature is controlled within
a range of 20 °C of the test temperature (3.1)
3.5
internal diameter
d
i
inner distance through the centre of the tube from one side to the other in the gauge length (3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.4]
3.6
external diameter
d
o
outer distance through the centre of the tube from one side to the other in the gauge length (3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.3]
3.7
wall thickness
h
half the difference between the external (3.6) and the internal diameters (3.5) in the gauge length (3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.5, modified — new formulation.]
3.8
initial cross-section area
S
o
cross-section area of the test specimen within the calibrated length (3.2) at room temperature before testing
3.9
effective cross-section area
S
o,eff
area corrected by a factor to account of the presence of a surface layer
3.10
longitudinal deformation
A
dimensional variation in the gauge length (3.3) under a tensile force in the load direction
Note 1 to entry: The longitudinal deformation corresponding to the maximum tensile force is denoted as A
t,m.
3.11
axial tensile strain
ε
zz
relative change of the initial gauge length (3.3) in the axial (or longitudinal) direction defined as the ratio A/L
o
Note 1 to entry: The tensile strain corresponding to the maximum tensile force is denoted as ε
zz,t,m.
3.12
circumferential strain
ε
θθ
relative change of the initial gauge length (3.3) in the circumferential direction
3.13
uniaxial tensile force
F
force carried by the test specimen in the axial (or longitudinal) direction at any time during the tensile test
3.14
axial tensile stress
σ
zz
uniaxial tensile force (3.13) supported by the test specimen in the axial (or longitudinal) direction at any
time in the test divided by the initial cross-section area (3.8)
Note 1 to entry: The effective axial tensile stress corresponding to the uniaxial tensile force supported by the test
specimen in the axial (or longitudinal) direction at any time in the test divided by the effective cross-section area (3.9)
is denoted as σ .
zz,eff
3.15
maximum uniaxial tensile force
F
m
highest recorded uniaxial tensile force in a tensile test on the test specimen when tested to failure
3.16
axial tensile strength
σ
zz,m
ratio of the maximum uniaxial tensile force (3.15) to the initial cross-section area (3.8)
Note 1 to entry: The effective axial tensile strength corresponding to the ratio of the maximum uniaxial tensile force
(3.15) to the effective cross-section area (3.9) is denoted as σ .
zz,m,eff
3.17
tensile modulus
E
zz
slope of the initial linear part of the stress-strain curve at or near the origin
Note 1 to entry: The linear part may not exist or may not start at the origin. The different situations are then described
in the Annex A.
Note 2 to entry: The effective tensile modulus corresponding to the slope of the linear part of the stress-strain curve at
or near the origin when the effective axial tensile stress is used is denoted as E .
zz, eff
3.18
Poisson’s ratio
ν
θz
negative ratio of circumferential strain (3.12) to axial tensile strain (3.11)
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.19, modified — the word ‘tensile’ has been added.]
3.19
coordinate system
system used to determine location in space
Note 1 to entry: Cylindrical coordinates are adopted in this document.
Note 2 to entry: The notations shown in Figure 1 apply for space representation.
Key
z axial
r radial
θ azimuthal (or orthoradial)
Figure 1 — Cylindrical coordinate system used for the CMC tubes
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.20, modified — azimuthal coordinate considered.]
4 Principle
A prepared tubular test specimen of specified dimensions is heated to the test temperature, then loaded in
monotonic uniaxial tension up to fracture. The test is performed at constant crosshead displacement rate,
or constant deformation rate (or constant loading rate). Both the applied force and resulting longitudinal
strain are measured and recorded simultaneously. The uniaxial tensile strength and strain are determined
from the maximum applied force while the various other axial tensile properties are determined from the
stress-strain response data.
When constant loading rate is used in the nonlinear region of the tensile curve, only the axial tensile strength
(3.16) can be obtained from the test. In this region, constant crosshead displacement rate or constant
deformation rate is recommended to obtain the complete curve
NOTE 1 The test duration is limited to reduce creep effects.
NOTE 2 Uniaxial tensile loading means that the force is applied parallel to the tube axis while monotonic refers to a
continuous non-stop test rate with no reversals from test initiation to final fracture.
5 Apparatus
5.1 Testing machine
The test machine shall be equipped with a system for measuring the force applied to the tubular test
specimen conforming to grade 1 or better in accordance with ISO 7500-01.
This should prevail during actual test conditions of, e.g. gas pressure and temperature.
5.2 Gripping system
5.2.1 Test specimen gripping
Various types of gripping device may be used to transmit the measured force applied by the testing machine
to the tubular test specimen. It shall prevent the tubular test specimen from slipping.
The brittle nature of the ceramic matrix composites (CMCs) requires a uniform and continuous contact
between the grip components and the gripped section of the tubular test specimen in order to minimize
crack initiation and fracture in this area.
Gripping devices can be classified generally as those employing active grip interfaces and those employing
passive grip interfaces that include gripping system with adhesive bonding or through a pin-loaded fixture.
Examples, descriptions and designs for both the gripping types are discussed in ISO 20323 for testing
CMC at ambient temperature. For testing at elevated temperature, these must consider the heating and
environmental constraints with regard to the system employed.
5.2.2 Location and temperature of grips
Depending on the test machine configuration, the gripping system can be located inside or outside the
heated zone.
— Uncooled grips located inside the heated zone are referred to as “hot grips” and generally produce almost
no thermal gradient in the test specimen.
— Cooled grips located outside the heated zone are referred to as “cold grips” and generally induce a
steep thermal gradient in the test specimen. Grips located outside the heated zone surrounding the test
specimen may or may not employ cooling.
Figure 2 shows a schematic example to illustrate the principle a satisfactory gripping design with cooling
system for testing tubular CMC tubes at high temperature.
NOTE 1 The choice of gripping system will depend on material, on test specimen and on alignment requirements.
The expense of the cooling system for cold grips is balanced against maintaining alignment that remains consistent
from test to test and decreased degradation of the grip due to exposure to the high temperature-oxidizing environment.
NOTE 2 The hot grip technique is limited in temperature because of the nature and strength of the grips materials
Key
1 tubular test specimen
2 upper cold grip device
3 thermal insulation panel
4 cooling system
5 window for extensometer
6 lower cold grip device
7 furnace
Figure 2 — Example of “cold grip” configuration for the determination of the axial properties of CMC
tubes at high temperature
5.2.3 Load train couplers
The load train couplers in conjunction with the type of gripping device play major roles in the alignment of
the load train and extraneous bending imposed in the tubular test specimen; they can be generally classified
as fixed and non-fixed, as discussed in ISO 20323.
If each system type can be used, the load train configuration shall ensure that the load indicated by the
load cell and the load experienced by the tubular test specimen are the same. The load train performance,
including both the alignment and force transmitting systems, shall not change because of heating.
The load train shall align the tubular test specimen axis with the direction of load application without
introduction bending or torsion in specimen.
The alignment shall be checked at room temperature and documented. The procedure described in ISO 17161
adapted to the tubular geometry of specimen should be applied.
−4
The maximum relative bending shall not exceed 5 % at an average strain of 5×10 .
5.3 Test chamber and heating set-up
The test chamber shall be as gas-tight as possible and shall allow proper control of the environment near the
tubular test specimen during the test.
The installation shall be such that the variation of the load due to the variation of pressure is less than 1 % of
the scale of the load cell being used.
Where a gas atmosphere is used, it shall be chosen in accordance with the material to be tested and the test
temperature. The level of pressure shall be chosen depending on the material to be tested, on temperature,
on the type of gas, and on the type of extensometer.
Where a vacuum chamber is used, the level of vacuum shall not induce chemical and/or physical instabilities
of the test specimen material, and of extensometer rods, when applicable. Primary vacuum (typically 1 Pa
pressure or less) is recommended.
5.4 Heating apparatus
The set-up for heating shall be constructed in such a way that the temperature gradient within the gauge
length satisfy a maximum deviation of 20 °C from the test temperature.
Heating can be provided by indirect electrical resistance (heating elements), indirect induction through a
susceptor, or radian lamp, in which case the tubular test specimen is placed in ambient air at atmospheric
pressure, unless other environments are specifically applied and reported. Direct resistance heating does
not provide uniform heating of CMC tubular test specimen due to the constituent materials and is therefore
not acceptable
NOTE An example of calibration method of test temperature is described in ISO 14574.
5.5 Strain measurement
5.5.1 General
Strain should be locally measured in order to avoid having to take into account the compliance of the
machine. This may be by means of suitable extensometers, or digital image correlation (DIC). If Poisson’s
ratio is to be determined, the tubular test specimen shall be instrumented to measure strain in both axial
(or longitudinal) and circumferential directions.
NOTE Bonded resistance strain gauges are only used for the verification of the alignment on the test specimen at
room temperature. They cannot be used to determine the axial (or longitudinal) deformation during testing at high
temperature.
5.5.2 Extensometers
5.5.2.1 General
Extensometers used for tensile testing of CMC tubular test specimens shall be capable of continuously
recording the longitudinal strain at test temperature. The used of an extensometer with the greatest gauge
length are recommended with a minimum of 25 mm required.
Extensometers shall meet the requirements of class 1 or less (class 0,5) in accordance with ISO 9513. Types
of commonly used extensometers are described in 5.5.2.2 and 5.5.2.3.
5.5.2.2 Mechanical extensometer
For a mechanical (or contact) extensometer, the gauge length shall be the longitudinal distance between
the two locations, centrally located in the mid region of the axial direction of the gauge section where the
extensometer rods contact the test specimen. The selected attachment should cause no damage to the
specimen surface.
The rods may be exposed to temperatures higher than the test specimen temperature. Temperature
induced structural changes in the rod material shall not affect the accuracy of deformation measurement.
The material used for the rods shall be chemically compatible with the test specimen material at testing
temperature.
Any extensometer contact forces shall not introduce bending greater than that allowed in 5.2.3.
Care should be taken to correct for changes in calibration of the extensometer that may occur as a result of
operating under conditions different from calibration. Verification may be done by measuring the tensile
modulus on a well-known material specimen.
Rod pressure onto the test specimen should be the minimum necessary to prevent slipping of the
extensometer rods.
5.5.2.3 Electro-optical extensometer
Electro-optical measurements in transmission require reference marks on the test specimen. For this
purpose, rods or flags shall be attached to the surface perpendicularly to its axis. The gauge length shall
be the longitudinal distance between the two reference marks. The material used for marks (and adhesive
if used) shall be compatible with the tubular test specimen material and durable at the test temperature
without altering the stress field in the specimen.
The use of integral flags as parts of the test specimen geometry is not recommended because of stress
concentration induced by such features.
Electro-optical extensometer is not recommended in the case where it is impossible to distinguish the
colours of the reference marks and the test specimen.
5.5.3 Digital image correlation
Digital image correlation (DIC) method can be used for non-contact strain-field measurement at high
temperature.
The general procedure to be followed for estimating the strain measurement shall be in accordance with
ASTM E2208-02 adapted for testing at high temperature.
This technique usually employs an optical filter to reduce the influence of radiation on the intensity of
captured images and to provide a correct signal-to-noise ratio of random patterns at elevated temperature.
In order to improve the measurement accuracy, the size of furnace window may be minimized.
In case of off-axis strain measurement, the use of a telecentric lens is required to overcome the curvature of
the tubular test specimen.
Full-field deformation output procedure and calibration data shall be annexed to the test report.
NOTE Guidelines for using the DIC method on CMC tubes are described in ISO 20323.
5.6 Temperature measurement devices
Temperature measurement shall be sufficiently sensitive and reliable to ensure that the temperature of the
tubular test specimen conforms with the limits specified in 7.1.2.
Either thermocouples conforming to IEC 60584-1 shall be used or, when thermocouples not conforming to
IEC 60584-1 or pyrometers are used, calibration data shall be annexed to the test report.
5.7 Data recording system
A calibrated recorder shall be used to record the applied tensile force and the gauge section elongation (or
strain) versus time. The use of a digital data recording system is recommended for ease of later data analysis.
Recording devices shall be accurate to within ±0,1 % for the entire testing system including readout unit and
shall have a minimum data acquisition rate of 10 Hz, with a response of 50 Hz deemed more than sufficient.
Crosshead displacement of the test machine may also be recorded but shall not define displacement or strain
in the gauge section, especially when self-aligning couplers are used in the load train.
5.8 Dimension-measuring devices
Micrometres used for measuring the dimensions of the tubular test specimen shall be in accordance with
ISO 3611. The internal and external diameters of the tubular test specimen should be measured with an
accuracy of 0,02 mm or 1 % of the measured dimension, whichever is higher. Flat-anvil-type micrometres or
callipers of similar resolution may be used for measuring the overall test specimen length and the defined
gauge length.
Ball-tipped or sharp anvil micrometres are not recommended for tubular CMCs because the resulting
measurements may be affected by the peaks and troughs of the weave.
In some cases, it is desirable, but not required, to determine the dimensions of the tubular test specimen
subtracted from surface roughness (internal and external diameters). Methods such as contacting/optical
profilometry or image analysis on a polished transverse cross-section may be used for this purpose.
6 Tubular test specimen
6.1 Specimen specifications
6.1.1 General
CMC tubes are fabricated in a wide range of sizes and geometries and across a wide spectrum of different
reinforcement fibres, distinctive ceramic matrix materials and markedly different fabrication methods. The
fibre architecture for CMC tubes also has a broad range of configurations with different fibre loadings and
directional variations. Therefore, it is currently not practical to define a single test specimen geometry that
is applicable to all CMC tubes.
The selection and definition of a tubular test specimen geometry depends on the nature of the material and
of the reinforcement architecture. The gripping system as well as the load train couplers (discussed in 5.2)
can influence the design of the test specimen geometry. Additionally, the success of an elevated-temperature
tensile test also depends on the heating mode and its extent since thermal gradients may introduce
additional stress in test specimen.
6.1.2 Dimension
The test method described applies to CMC tubes with external diameters greater than 7 mm and a minimum
of 0,5 mm in wall thickness, roughly corresponding to minimum one single layer. The ratio of external
diameter to wall thickness (d /h) is commonly extended in the range of 5 to 30.
o
The total length (L ) of specimen depends on the selected experimental configuration for testing at elevated
t
temperature with a minimum of 60 mm required in the controlled testing temperature zone. Recommended
values generally greater than 150 mm.
In any case, the volume in the gauge length (L ) shall be representative for the composite material. As a
rule, the calibrated length (l) should be commonly selected to keep the ratio (l/d ) between 2 and 3 with a
o
minimum value of 25 mm required.
Deviations outside the recommended ranges may be necessary depending upon the particular CMC being
evaluated.
6.1.3 Geometry commonly used
A straight-sided tube geometry that does not require machining to obtain proper dimensions is recommended
to carry out the test. In case of using cold gripping system, tubular test specimens with contoured gauge
section are preferred to reduce the thermal gradient in calibrated length.
For both geometries, the internal and external surfaces of the specimens may be rough and irregular.
Figure 3 represents a tubular test specimen with straight-sided geometry. Dimensional requirements for
acceptable specimen are specified in Table 1.
Figure 4 represents a tubular test specimen with a contoured gauge section geometry. Dimensional
requirements for acceptable specimen are specified in Table 2.
Figure 3 — “Generic” straight-side tube test specimen
Table 1 — Dimensional requirements for straight-side tube test specimen type
Dimensions in millimetres
Variable Symbol Minimum value Tolerance
Total length L > 60 exposed at testing temperature ±2
t
Calibrated length I > 30 for a minimal gauge length of 25 mm ±0,2
External diameter d > 7 ±0,2
o
Wall Thickness h > 0,5 and corresponding to at least a single layer ±0,2
Cylindricity c - 0,1
Figure 4 — “Generic” contoured gauge tube test specimen
Table 2 — Dimensional requirements for contoured gauge tube test specimen type
Dimensions in millimetres
Variable Symbol Minimum value Tolerance
Total length L > 150 ±2
t
> 60 exposed at testing temperature with a minimal gauge
Calibrated length l ±0,2
length of 25 mm
Calibrated diameter D at least (d + 2h ) ±0,2
o min
External diameter d > 7 ±0,2
o
Wall Thickness h > 0,5 and corresponding to at least a single layer ±0,2
Blend radius R > 15 ±2
Cylindricity c - 0,1
6.1.4 Tolerances and variability
Dimensional tolerances are related on the specific selected specimen geometry, the method of manufacturing
and the performance requirements of the CMC application. It is common for CMC tubes to have a relative
diametral variability, particularly for larger diameter tubes.
The gauge section may or may not be machined to a specific tolerance (see Table 1 and 2). However, the
difference in calibrated diameters taken out of three measurements for all the specimen types (as the centre
and at each end of the calibrated length) shall not exceed 2 % of the average of the three measurements.
NOTE Measurements of inner diameters of CMC tubes can be performed by using suitable instruments, such as “3
point internal micrometre” or “inside micrometre rod-type”.
6.2 Specimen preparation
6.2.1 General
Any test sample preparation route, including those discussed here, may be used as long as the preparation
procedure is reported in sufficient detail to allow replication.
Machining or grinding of the tubular test specimen may be necessary for two purposes:
a) to develop a controlled diameter in the gauge section;
b) to produce a uniform diameter in the grip section for fitting into the grip fixture.
Depending upon the intended application of the tensile behaviour data, use one of the following test sp
...
Norme
internationale
ISO 4255
Première édition
Céramiques techniques — Propriétés
2025-07
mécaniques des composites
céramiques à haute température —
Détermination des propriétés en
traction axiale de tubes
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical
ceramics) — Mechanical properties of ceramic composites at high
temperature — Determination of axial tensile properties of tubes
Numéro de référence
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, 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.
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principe. 4
5 Appareillage . 5
5.1 Machine d’essai .5
5.2 Dispositif de préhension .5
5.2.1 Fixation de l’éprouvette .5
5.2.2 Emplacement et température des mors .5
5.2.3 Systèmes d’application d’effort .6
5.3 Enceinte d’essai et dispositif de chauffage .7
5.4 Appareil de chauffage .7
5.5 Mesurage de la déformation .7
5.5.1 Généralités .7
5.5.2 Extensomètres .7
5.5.3 Corrélation d’images numériques .8
5.6 Dispositifs de mesure des températures .9
5.7 Système d’enregistrement des données .9
5.8 Dispositifs de mesurage des dimensions .9
6 Éprouvette tubulaire . 9
6.1 Spécifications des éprouvettes .9
6.1.1 Généralités .9
6.1.2 Dimension .10
6.1.3 Géométrie couramment utilisée .10
6.1.4 Tolérances et variabilité .11
6.2 Préparation des éprouvettes . 12
6.2.1 Généralités . 12
6.2.2 Éprouvettes brutes de fabrication . 12
6.2.3 Recours à un usinage de surface conforme à l’application . 12
6.2.4 Pratiques routinières . 12
6.2.5 Procédure normalisée . 12
6.3 Talons de préhension et problème d’alignement . 13
6.4 Essais et nombres d’éprouvettes .14
7 Mode opératoire d’essai . 14
7.1 Considérations relatives à la température .14
7.1.1 Généralités .14
7.1.2 Zone à température contrôlée . 15
7.1.3 Mesurage de la température . 15
7.2 Configuration d’essai: autres considérations . 15
7.3 Technique d’essai . 15
7.3.1 Mesurage des dimensions des éprouvettes . 15
7.3.2 Instrumentation de l’éprouvette .16
7.3.3 Support d’éprouvette .16
7.3.4 Réglage des instruments de mesure de la déformation .16
7.3.5 Mise sous atmosphère inerte .16
7.3.6 Chauffage de l’éprouvette et contrôle de la température . .17
7.3.7 Mesurages.17
7.3.8 Analyses post-essai .18
7.4 Validité de l’essai .18
8 Calcul des résultats .18
8.1 Repérage de l’éprouvette .18
iii
8.2 Contrainte et déformation en traction axiale .19
8.3 Résistance en traction . 20
8.4 Déformation à la force maximale de traction . 20
8.5 Module de traction . 20
8.5.1 Calcul du module de traction. 20
8.5.2 Calcul du module d’élasticité en traction avec une zone linéaire .21
8.5.3 Contrainte pour les matériaux à courbe contrainte-déformation non linéaire .21
8.6 Coefficient de Poisson (facultatif) .21
8.7 Statistiques . 22
9 Rapport d’essai .22
9.1 Généralités . 22
9.2 Informations relatives aux essais . 22
9.3 Éprouvette et matériau . 22
9.3.1 Dessin de l’éprouvette tubulaire ou référence à un plan technique . 22
9.3.2 Description du matériau d’essai . 22
9.4 Équipements et paramètres d’essai . 23
9.4.1 Type et configuration de la machine d’essai . 23
9.4.2 Description de la mesure de la température et de la force . 23
9.4.3 Mode de pilotage et vitesse d’essai . 23
9.4.4 Description de la mesure de la déformation . 23
9.5 Résultats de l’essai . 23
10 Incertitudes .24
Annexe A (informative) Illustration du module de traction .25
Bibliographie .28
iv
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 brevet 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 tout ou partie de
tels droits de brevet.
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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 206, Céramiques techniques, en
collaboration avec le comité technique CEN/TC 184, Céramiques techniques avancées, du Comité européen
de normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de
Vienne).
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 4255:2025(fr)
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques
des composites céramiques à haute température —
Détermination des propriétés en traction axiale de tubes
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les conditions de détermination des propriétés en traction axiale de tubes
composites à matrice céramique (CMC) avec renfort de fibres continues à température élevée sous air, sous
vide et dans les atmosphères de gaz inerte. L’applicabilité du présent document est spécifique aux composites
à matrice céramique tubulaire dont la géométrie est étroitement liée à la nature de l’architecture fibreuse
différente de celles d’éprouvettes planes.
Le présent document donne des informations sur les propriétés en traction axiale et la réponse contrainte-
déformation en fonction de la température, comme la résistance et la déformation en traction axiale à
rupture et les constantes élastiques. Les informations peuvent être utilisées pour le développement de
matériaux, le contrôle de fabrication (assurance qualité), la comparaison de matériaux, la caractérisation,
ou encore pour la production de données fiables pour le dimensionnement et la conception de composants
tubulaires.
Le présent document traite, sans s’y limiter, de pièces pouvant être élaborées par différentes voies. Le
présent document est principalement applicable aux tubes composites à matrice céramique avec renfort
de fibres continues unidirectionnel (enroulement filamentaire et disposition en bande 1D), bidirectionnel
(tressage et tissage 2D) et multidirectionnel (xD, avec x > 2), soumis à l’essai suivant l’axe du tube.
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 —
Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques des micromètres d'extérieur
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 9513, Matériaux métalliques — Étalonnage des chaînes extensométriques utilisées lors d'essais uniaxiaux
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
IEC 60584-1, Thermocouples — Part 1: EMF specifications and tolerances
ASTM E2208-02, Standard Guide for Evaluating Non-Contacting Optical Strain Measurement Systems
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 19634 et l’ISO 20507 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
température d’essai
T
température de l’éprouvette au centre de la longueur de jauge
3.2
longueur utile
L
partie de l’éprouvette où la section transversale est la plus faible et est uniforme
3.3
longueur de jauge
L
distance initiale entre les points de référence dans la longueur utile (3.2) de l’éprouvette
3.4
zone à température contrôlée
partie de la longueur utile (3.2) incluant la longueur de jauge (3.3), où l’écart de température par rapport à la
température d’essai (3.1) est inférieur à 20 °C
3.5
diamètre intérieur
d
i
distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés sur la
face intérieure du tube dans la longueur de jauge (3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.4]
3.6
diamètre extérieur
d
o
distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés sur la
face extérieure du tube dans la longueur de jauge (3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.3]
3.7
épaisseur de paroi
h
différence entre le diamètre extérieur (3.6) et le diamètre intérieur (3.5) dans la longueur de jauge (3.3),
divisée par deux
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.5, modifiée – nouvelle formulation]
3.8
aire initiale de la section transversale
S
o
aire de la section transversale de l’éprouvette dans la longueur utile (3.2), à température ambiante, avant l’essai
3.9
aire effective de la section transversale
S
o,eff
aire corrigée par un facteur pour tenir compte de la présence d’une couche superficielle
3.10
déformation longitudinale
A
variation dimensionnelle de la longueur de jauge (3.3) sous une force de traction dans la direction de la charge
Note 1 à l'article: La déformation longitudinale correspondant à la force maximale de traction est désignée par A
t,m.
3.11
déformation en traction axiale
ε
zz
variation relative de la longueur de jauge (3.3) initiale dans la direction axiale (ou longitudinale) définie
comme le rapport A/L
o
Note 1 à l'article: La déformation en traction correspondant à la force maximale de traction est désignée par ε
zzt,m.
3.12
déformation circonférentielle
ε
θθ
variation relative de la longueur de jauge (3.3) initiale dans la direction circonférentielle
3.13
force de traction uniaxiale
F
force uniaxiale supportée par l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale) à tout moment pendant
l’essai de traction
3.14
contrainte de traction axiale
σ
zz
force de traction uniaxiale (3.13) supportée par l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale) à tout
moment pendant l’essai, divisée par l’aire initiale de la section transversale (3.8)
Note 1 à l'article: La contrainte de traction axiale effective correspondant à la force de traction uniaxiale supportée par
l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale) à tout moment pendant l’essai divisée par l’aire effective de la
section transversale (3.9) est notée σ .
zz,eff
3.15
force de traction uniaxiale maximale
F
m
force de traction uniaxiale la plus élevée enregistrée au cours d’un essai de traction sur une éprouvette
jusqu’à rupture
3.16
résistance en traction axiale
σ
zz,m
rapport entre la force de traction uniaxiale maximale (3.15) et l’aire initiale de la section transversale (3.8)
Note 1 à l'article: La résistance en traction axiale effective correspondant au rapport de la force de traction uniaxiale
maximale (3.15) à l’aire effective de la section transversale (3.9) est notée σ .
zz,m,eff
3.17
Module de traction
E
zz
pente de la partie linéaire initiale de la courbe contrainte-déformation
à l’origine ou près de l’origine
Note 1 à l'article: La partie linéaire peut ne pas exister ou peut ne pas commencer à l’origine. Les différentes situations
qui correspondent à ces cas sont décrites à l’Annexe A.
Note 2 à l'article: Le module de traction effectif correspondant à la pente de la partie linéaire de la courbe contrainte-
déformation à l’origine ou près de l’origine lorsque la contrainte de traction axiale effective est utilisée est noté E .
zz eff
3.18
coefficient de Poisson
ν
θz
rapport négatif de la déformation circonférentielle (3.12) à la déformation en traction axiale (3.11)
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.19, modifiée – les mots «en traction» ont été ajoutés]
3.19
système de coordonnées
système utilisé pour déterminer une position dans l’espace
Note 1 à l'article: Les coordonnées cylindriques sont adoptées dans le présent document.
Note 2 à l'article: Les notations présentées à la Figure 1 s’appliquent pour une représentation dans l’espace.
Légende
z axial
r radial
θ azimutal (ou orthoradial)
Figure 1 — Système de coordonnées cylindriques utilisé pour les tubes CMC
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.20, modifiée – coordonnée azimutale prise en compte]
4 Principe
Une éprouvette tubulaire de dimensions spécifiées et préalablement préparée est chauffée à la température
d’essai, puis soumise à un essai de traction uniaxiale monotone jusqu’à rupture. L’essai est réalisé à vitesse
de déplacement de la traverse constante, ou à vitesse de déformation constante (ou à vitesse de chargement
constante). La force appliquée et la déformation longitudinale résultante sont mesurées et enregistrées
simultanément. La résistance et la déformation en traction uniaxiale sont déterminées à partir de la force
maximale appliquée, les autres propriétés en traction axiale sont déterminées directement à partir de la
réponse contrainte-déformation.
Lorsqu’une vitesse de chargement constante est utilisée dans la région non linéaire de la courbe de traction,
l’essai permet d’obtenir uniquement la résistance en traction axiale (3.16). Dans cette région, une vitesse
de déplacement de la traverse constante ou une vitesse de déformation constante est recommandée pour
obtenir la courbe complète.
NOTE 1 La durée d’essai est limitée afin de réduire les effets du fluage.
NOTE 2 Un chargement en traction uniaxiale signifie que la force est appliquée parallèlement à l’axe du tube, tandis
que le terme monotone désigne une vitesse d’essai continue ininterrompue sans retour en arrière jusqu’à rupture.
5 Appareillage
5.1 Machine d’essai
La machine d’essai doit être équipée d’un système de mesure de la force appliquée à l’éprouvette tubulaire
qui doit être de classe 1 ou mieux, conformément à l’ISO 7500-01.
Il convient que cette exigence reste vraie dans les conditions réelles de l’essai, par exemple, pression et
température du gaz.
5.2 Dispositif de préhension
5.2.1 Fixation de l’éprouvette
Différents types de dispositifs de préhension peuvent être utilisés pour transmettre la force mesurée
appliquée par la machine d’essai à l’éprouvette tubulaire. Le dispositif doit permettre d’éviter tout glissement
de l’éprouvette tubulaire.
La nature fragile des composites à matrice céramique (CMC) impose d’avoir un contact uniforme et continu
entre les pièces de fixation et la partie fixée de l’éprouvette tubulaire de manière à réduire au minimum
l’apparition de fissures et d’une rupture dans cette zone.
Les dispositifs de préhension sont généralement de deux catégories: ceux employant des interfaces de
fixation dites «actives» et ceux employant des interfaces de fixation dites «passives» qui incluent le dispositif
de préhension avec une liaison par collage ou par l’intermédiaire d’une goupille rotulée. Des exemples, des
descriptions et des conceptions pour les deux types de fixations sont documentés dans l’ISO 20323 pour les
essais sur CMC à température ambiante. Pour les essais à température élevée, ceux-ci doivent tenir compte
des contraintes de chauffage et environnementales associées au système utilisé.
5.2.2 Emplacement et température des mors
Selon la configuration de la machine d’essai, le dispositif de préhension peut être situé à l’intérieur ou à
l’extérieur de la zone chauffée.
— Les mors non refroidis situés à l’intérieur de la zone chauffée sont appelés «mors chauds» et ne produisent
généralement pratiquement aucun gradient thermique dans l’éprouvette.
— Les mors refroidis situés à l’extérieur de la zone chauffée sont appelés «mors froids» et induisent
généralement un gradient thermique important dans l’éprouvette. Les mors situés à l’extérieur de la
zone chauffée entourant l’éprouvette peuvent ou non utiliser le refroidissement.
La Figure 2 montre un exemple schématique pour illustrer le principe d’une conception de fixation
satisfaisante avec système de refroidissement pour permettre l’essai sur tubes CMC à haute température.
NOTE 1 Le choix du dispositif de préhension dépendra du matériau, de l’éprouvette et des exigences relatives
à l’alignement. Le coût du système de refroidissement pour les mors froids est compensé par le maintien d’un
alignement qui reste constant d’un essai à l’autre et par la diminution de la dégradation du mors due à l’exposition à
l’environnement oxydant à haute température.
NOTE 2 La technique des mors chauds est limitée en température en raison de la nature et de la résistance des
matériaux constitutifs des mors.
Légende
1 éprouvette tubulaire
2 dispositif de mors froid supérieur
3 panneau d’isolation thermique
4 système de refroidissement
5 fenêtre pour l’extensomètre
6 dispositif de mors froid inférieur
7 four
Figure 2 — Exemple de configuration de «mors froid» pour la détermination des propriétés axiales
des tubes CMC à haute température
5.2.3 Systèmes d’application d’effort
Les systèmes d’application d’effort, qui sont étroitement liés au type de dispositif de préhension, jouent un
rôle primordial dans l’alignement de la ligne de force et dans les contraintes de flexions parasites imposées
dans l’éprouvette tubulaire; ils sont généralement classés comme fixes et non fixes et sont décrits dans
l’ISO 20323.
S’il est possible d’utiliser chacun des systèmes, celui-ci doit être tel que la charge indiquée par la cellule de
force et la charge supportée par l’éprouvette tubulaire soient les mêmes. Le chauffage ne doit pas modifier la
performance du système d’application de l’effort, y compris l’alignement et la transmission de l’effort.
Le système d’application de l’effort doit aligner l’axe de l’éprouvette tubulaire avec la direction d’application
de la force sans introduire de flexion ou de torsion dans l’éprouvette.
L’alignement doit être vérifié à température ambiante et documenté. Il convient d’appliquer le mode
opératoire décrit dans l’ISO 17161, adapté à une éprouvette de géométrie tubulaire.
−4
Le pourcentage maximal en flexion ne doit pas dépasser 5 % pour une déformation moyenne de 5 × 10 .
5.3 Enceinte d’essai et dispositif de chauffage
L’enceinte d’essai doit être la plus étanche au gaz possible et elle doit permettre un contrôle adéquat de
l’environnement près de l’éprouvette tubulaire pendant l’essai.
L’installation doit être telle que la variation de charge due à la variation de pression soit inférieure à 1 % de
l’échelle de la cellule de force utilisée.
Si une atmosphère gazeuse est utilisée, elle doit être choisie en fonction du matériau à soumettre à l’essai
et de la température d’essai. Le niveau de pression doit être choisi en fonction du matériau à soumettre à
l’essai, de la température, du type de gaz et du type d’extensomètre.
Si une enceinte à vide est utilisée, le niveau de vide ne doit pas induire d’instabilités chimiques et/ou
physiques du matériau des éprouvettes et des tiges de l’extensomètre, le cas échéant. Un vide primaire (en
général, une pression de 1 Pa ou moins) est recommandé.
5.4 Appareil de chauffage
Le dispositif de chauffage doit être conçu de sorte que le gradient de température sur la longueur de jauge
corresponde à un écart maximal de 20 °C par rapport à la température d’essai.
Le chauffage peut être assuré par résistance électrique indirecte (éléments chauffants), induction indirecte
à travers un suscepteur, ou via l’utilisation d’une lampe radiante, auquel cas l’éprouvette tubulaire est
placée dans l’air ambiant à la pression atmosphérique, à moins que d’autres environnements ne soient
spécifiquement appliqués et consignés par écrit. Le chauffage direct par résistance ne permet pas un
chauffage uniforme de l’éprouvette tubulaire CMC en raison des matériaux constitutifs et n’est donc pas
acceptable.
NOTE Un exemple de méthode d’étalonnage de la température d’essai est décrit dans l’ISO 14574.
5.5 Mesurage de la déformation
5.5.1 Généralités
Il convient de mesurer la déformation de manière locale afin d’éviter de devoir prendre en compte la
complaisance de la machine. Cela peut se faire au moyen d’extensomètres appropriés ou encore par
corrélation d’images numériques (DIC). Si le coefficient de Poisson doit être déterminé, l’éprouvette tubulaire
doit être équipée d’instruments de mesure de la déformation dans les directions axiale (ou longitudinale) et
circonférentielle.
NOTE Les jauges de déformation résistives encollées sont utilisées uniquement pour la vérification de l’alignement
de l’éprouvette à température ambiante. Elles ne peuvent pas être utilisées pour mesurer la déformation axiale (ou
longitudinale) de l’éprouvette durant l’essai à haute température.
5.5.2 Extensomètres
5.5.2.1 Généralités
Les extensomètres utilisés pour les essais de traction sur éprouvettes tubulaires CMC doivent être
capables d’enregistrer en continu la déformation longitudinale à la température d’essai. L’utilisation d’un
extensomètre avec la plus grande longueur de jauge est recommandée avec un minimum de 25 mm requis.
Les extensomètres doivent répondre aux exigences de la classe 1 ou d’une classe inférieure (classe 0,5)
conformément à l’ISO 9513. Des exemples d’extensomètres d’usage courant sont décrits en 5.5.2.2 et 5.5.2.3.
5.5.2.2 Extensomètre mécanique
Dans le cas d’un extensomètre mécanique (ou à contact), la longueur utile doit être la distance longitudinale
entre les deux emplacements situés au centre de la région médiane de la direction axiale de la longueur
de jauge où les tiges de l’extensomètre entrent en contact avec l’éprouvette. Il convient que le système
d’accroche n’endommage pas la surface de l’éprouvette.
Les tiges de l’extensomètre peuvent être exposées à des températures supérieures à la température de
l’éprouvette. L’exactitude de la mesure de la déformation ne doit pas être affectée par des modifications de la
structure du matériau des tiges dues à la température. Le matériau utilisé pour les tiges doit être compatible
chimiquement avec le matériau de l’éprouvette à la température d’essai.
Les forces de contact d’un extensomètre ne doivent pas entraîner de flexion supérieure à celle autorisée
en 5.2.3.
Il convient de veiller à la correction des modifications d’étalonnage de l’extensomètre lorsque celui-ci est
utilisé dans des conditions différentes de celles de l’étalonnage. La vérification peut s’effectuer en mesurant
le module de traction sur une éprouvette constituée d’un matériau bien connu.
Il convient de régler la pression des tiges sur l’éprouvette au minimum nécessaire pour éviter qu’elles ne
glissent.
5.5.2.3 Extensomètre électro-optique
Les mesurages électro-optiques en transmission nécessitent la présence de repères de référence
sur l’éprouvette. Des tiges ou des drapeaux doivent, à cet effet, être fixés à la surface de l’éprouvette,
perpendiculairement à son axe. La longueur de jauge doit correspondre à la distance longitudinale entre
les deux repères de référence. Le matériau utilisé pour les repères (et éventuellement la colle) doit être
compatible avec le matériau de l’éprouvette tubulaire et être durable à la température d’essai sans modifier
le champ de contrainte de l’éprouvette.
L’utilisation de drapeaux intégrés à la géométrie de l’éprouvette n’est pas recommandée du fait des
concentrations de contrainte induites par ces singularités.
L’utilisation d’un extensomètre électro-optique n’est pas recommandée s’il n’est pas possible de distinguer
la couleur des repères de référence de celle de l’éprouvette.
5.5.3 Corrélation d’images numériques
La méthode par corrélation d’images numériques (DIC) peut être utilisée pour les mesures du champ de
déformation sans contact à température élevée.
La procédure générale à suivre pour estimer la déformation doit respecter la norme ASTM E2208-02 adaptée
aux essais à haute température.
Cette technique utilise habituellement un filtre optique pour réduire l’influence du rayonnement sur
l’intensité des images capturées et pour fournir un rapport signal/bruit correct de motifs aléatoires à
température élevée. Afin d’améliorer la précision de mesure, la taille de la fenêtre du four peut être réduite.
En cas de mesure de la déformation hors axe, il est nécessaire d’utiliser un objectif télécentrique pour
s’affranchir de la courbure des éprouvettes tubulaires.
La méthode de détermination des champs de déformation et les données d’étalonnage doivent être jointes au
rapport d’essai.
NOTE Des lignes directrices concernant la méthode par corrélation d’images sur les tubes CMC sont renseignées
dans l’ISO 20323.
5.6 Dispositifs de mesure des températures
La mesure de la température doit être suffisamment sensible et fiable pour que la température de l’éprouvette
tubulaire soit conforme aux limites spécifiées en 7.1.2.
Des thermocouples conformes à l’IEC 60584-1 doivent être utilisés ou si des thermocouples non conformes
à l’IEC 60584-1 ou des pyromètres sont utilisés, les données d’étalonnage doivent être jointes au rapport
d’essai.
5.7 Système d’enregistrement des données
Un enregistreur étalonné doit être utilisé pour enregistrer la force de traction appliquée et l’allongement (ou
la déformation) mesuré dans la longueur de jauge au cours du temps. L’utilisation d’une chaîne d’acquisition
numérique des données est recommandée pour faciliter l’analyse ultérieure des données.
Les dispositifs d’enregistrement doivent présenter une précision de ±0,1 % incluant l’unité de lecture et
doivent pouvoir atteindre une fréquence d’acquisition de données minimale de 10 Hz avec une réponse de
50 Hz jugée plus que suffisante.
Le déplacement de la traverse de la machine d’essai peut également être enregistré, mais ne doit pas définir
le déplacement ou la déformation dans la longueur utile de l’éprouvette, en particulier lorsque des systèmes
d’auto-alignement sont utilisés pour appliquer l’effort.
5.8 Dispositifs de mesurage des dimensions
Les micromètres utilisés pour mesurer les dimensions de l’éprouvette tubulaire doivent être conformes à
l’ISO 3611. Il convient de mesurer les diamètres intérieur et extérieur de l’éprouvette tubulaire avec une
précision de 0,02 mm ou de 1 % de la dimension mesurée, cela quelle que soit la plus grande des deux valeurs.
Un micromètre à touche fixe plan ou un pied à coulisse de précision similaire peut être utilisé pour mesurer
la longueur de l’éprouvette et la longueur de jauge définie.
Les micromètres à touche fixe en forme de bille ou pointue ne sont pas recommandés pour les composites CMC
tubulaires, car les mesures résultantes peuvent être faussées par les crêtes et les creux liés à l’embuvage de
surface.
Dans certains cas, il est souhaitable, mais pas nécessaire, de déterminer les dimensions de l’éprouvette
tubulaire en retranchement de la rugosité de surface (diamètres intérieur et extérieur). Des méthodes telles
que la profilométrie par contact ou optique ou encore l’analyse d’images sur une section transversale polie
peuvent être utilisées à cette fin.
6 Éprouvette tubulaire
6.1 Spécifications des éprouvettes
6.1.1 Généralités
Les tubes CMC sont fabriqués dans une large gamme de dimensions et de géométries, recourant à un éventail
varié de renforts fibreux et de matrices céramiques distinctes pouvant être élaborés selon des procédés
très différents. L’architecture fibreuse des tubes CMC présente également un vaste choix de configurations
accessibles, différentiables notamment par la tension des fils ou encore par leur orientation. Par conséquent,
il est actuellement impossible de définir une géométrie unique d’éprouvette pour évaluer tous les tubes CMC.
La sélection et la définition d’une géométrie d’éprouvette tubulaire dépendent de la nature du matériau et de
l’architecture de renfort. Le dispositif de préhension ainsi que les systèmes d’application d’effort (discutés
en 5.2) peuvent influencer la conception de la géométrie de l’éprouvette. En outre, le succès d’un essai de
traction à température élevée dépend également du mode de chauffage et de son étendue, car les gradients
thermiques peuvent introduire une contrainte supplémentaire dans l’éprouvette.
6.1.2 Dimension
La méthode d’essai décrite s’applique aux tubes CMC de diamètre extérieur supérieur à 7 mm et ayant une
épaisseur de paroi d’au moins 0,5 mm, correspondant approximativement à l’épaisseur minimale d’une
couche. Le rapport entre le diamètre extérieur et l’épaisseur de paroi (d /h) est généralement compris entre
o
5 et 30.
La longueur totale (L ) de l’éprouvette dépend de la configuration expérimentale choisie pour l’essai à
t
température élevée, avec un minimum de 60 mm requis dans la zone à température d’essai contrôlée. Les
valeurs recommandées sont généralement supérieures à 150 mm.
Dans tous les cas, le volume dans la longueur de jauge (L ) doit être représentatif du matériau composite. En
règle générale, il convient de sélectionner la longueur utile (l) de manière à garder le rapport (l/d ) entre 2
o
et 3 avec une valeur minimale requise de 25 mm.
I
...
ISO/TC 206
Secrétariat: JISC
Date: Première édition
2025-07-02
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites
céramiques à haute température — Détermination des propriétés en
traction axiale de tubes
Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Mechanical properties of ceramic
composites at high temperature — Determination of axial tensile properties of tubes
ISO 4255:2025(fr)
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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.
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Publié en Suisse
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ii
Sommaire
Avant-propos . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principe . 5
5 Appareillage . 5
6 Éprouvette tubulaire . 10
7 Mode opératoire d’essai . 16
8 Calcul des résultats . 21
9 Rapport d’essai . 24
10 Incertitudes . 26
Annexe A (informative) Illustration du module de traction . 27
Bibliographie . 30
Avant-propos . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principe . 5
5 Appareillage . 5
5.1 Machine d’essai . 5
5.2 Dispositif de préhension . 5
5.3 Enceinte d’essai et dispositif de chauffage . 7
5.4 Appareil de chauffage . 7
5.5 Mesurage de la déformation . 7
5.6 Dispositifs de mesure des températures . 9
5.7 Système d’enregistrement des données . 9
5.8 Dispositifs de mesurage des dimensions . 9
6 Éprouvette tubulaire . 10
6.1 Spécifications des éprouvettes . 10
6.2 Préparation des éprouvettes . 12
6.3 Talons de préhension et problème d’alignement . 13
6.4 Essais et nombres d’éprouvettes . 15
7 Mode opératoire d’essai . 15
7.1 Considérations relatives à la température . 15
7.2 Configuration d’essai: autres considérations . 16
7.3 Technique d’essai . 16
7.4 Validité de l’essai . 19
8 Calcul des résultats . 20
8.1 Repérage de l’éprouvette . 20
8.2 Contrainte et déformation en traction axiale . 20
8.3 Résistance en traction . 21
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iii
ISO 4255:2025(fr)
8.4 Déformation à la force maximale de traction . 21
8.5 Module de traction . 21
8.6 Coefficient de Poisson (facultatif) . 22
8.7 Statistiques . 23
9 Rapport d’essai . 23
9.1 Généralités . 23
9.2 Informations relatives aux essais . 23
9.3 Éprouvette et matériau . 23
9.4 Équipements et paramètres d’essai . 24
9.5 Résultats de l’essai . 24
10 Incertitudes . 25
Annexe A (informative) Illustration du module de traction . 26
Bibliographie . 29
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iv
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 brevet 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 tout ou partie de
tels droits de brevet.
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 www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 206, Céramiques techniques, en
collaboration avec le comité technique CEN/TC 184, Céramiques techniques avancées, du Comité européen de
normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de
Vienne).
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.
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v
Norme internationale ISO 4255:2025(fr)
Céramiques techniques — Propriétés mécaniques des composites
céramiques à haute température — Détermination des propriétés en
traction axiale de tubes
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie les conditions de détermination des propriétés en traction axiale de tubes
composites à matrice céramique (CMC) avec renfort de fibres continues à température élevée sous air, sous
vide et dans les atmosphères de gaz inerte. L’applicabilité du présent document est spécifique aux composites
à matrice céramique tubulaire dont la géométrie est étroitement liée à la nature de l’architecture fibreuse
différente de celles d’éprouvettes planes.
Le présent document donne des informations sur les propriétés en traction axiale et la réponse contrainte-
déformation en fonction de la température, comme la résistance et la déformation en traction axiale à rupture
et les constantes élastiques. Les informations peuvent être utilisées pour le développement de matériaux, le
contrôle de fabrication (assurance qualité), la comparaison de matériaux, la caractérisation, ou encore pour la
production de données fiables pour le dimensionnement et la conception de composants tubulaires.
Le présent document traite, sans s’y limiter, de pièces pouvant être élaborées par différentes voies. Le présent
document est principalement applicable aux tubes composites à matrice céramique avec renfort de fibres
continues unidirectionnel (enroulement filamentaire et disposition en bande 1D), bidirectionnel (tressage et
tissage 2D) et multidirectionnel (xD, avec x > 2), soumis à l’essai suivant l’axe du tube.
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 —
Caractéristiques de conception et caractéristiques métrologiques des micromètres d'extérieur
ISO 7500-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 9513, Matériaux métalliques — Étalonnage des chaînes extensométriques utilisées lors d'essais
uniaxiaux
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
ISO 20507, Céramiques techniques — Vocabulaire
ISO 4255:2025(fr)
IEC 60584--1, Thermocouples — Part 1: EMF specifications and tolerances
ASTM E2208--02, Standard Guide for Evaluating Non-Contacting Optical Strain Measurement
Systems
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 19634 et l’ISO 20507 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 3.1
température d’essai
T
température de l’éprouvette au centre de la longueur de jauge
3.2 3.2
longueur utile
L
partie de l’éprouvette où la section transversale est la plus faible et est uniforme
3.3 3.3
longueur de jauge
L
distance initiale entre les points de référence dans la longueur utile (3.2)(3.2) de l’éprouvette
3.4 3.4
zone à température contrôlée
partie de la longueur utile (3.2)(3.2) incluant la longueur de jauge (3.3),(3.3), où l’écart de température par
rapport à la température d’essai (3.1)(3.1) est inférieur à 20 °C
3.5 3.5
diamètre intérieur
d
i
distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés sur la
face intérieure du tube dans la longueur de jauge (3.3)(3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.4]
3.6 3.6
diamètre extérieur
d
o
distance du segment passant par le centre du tube reliant deux points diamétralement opposés situés sur la
face extérieure du tube dans la longueur de jauge (3.3)(3.3)
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.3]
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3.7 3.7
épaisseur de paroi
h
différence entre le diamètre extérieur (3.6)(3.6) et le diamètre intérieur (3.5)(3.5) dans la longueur de jauge
(3.3),(3.3), divisée par deux
[SOURCE: ISO 21971:2019, 3.5, modifiée – nouvelle formulation]
3.8 3.8
aire initiale de la section transversale
S
o
aire de la section transversale de l’éprouvette dans la longueur utile (3.2),(3.2), à température ambiante, avant
l’essai
3.9 3.9
aire effective de la section transversale
S
o,eff
aire corrigée par un facteur pour tenir compte de la présence d’une couche superficielle
3.10 3.10
déformation longitudinale
A
variation dimensionnelle de la longueur de jauge (3.3)(3.3) sous une force de traction dans la direction de la
charge
Note 1 à l’article l'article: La déformation longitudinale correspondant à la force maximale de traction est désignée
par A
t,m.
3.11 3.11
déformation en traction axiale
ε
zz
variation relative de la longueur de jauge (3.3)(3.3) initiale dans la direction axiale (ou longitudinale) définie
comme le rapport A/L
o
Note 1 à l’article l'article: La déformation en traction correspondant à la force maximale de traction est désignée par εzz
tεzzt,m.
3.12 3.12
déformation circonférentielle
ε
θθ
variation relative de la longueur de jauge (3.3)(3.3) initiale dans la direction circonférentielle
3.13 3.13
force de traction uniaxiale
F
force uniaxiale supportée par l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale) à tout moment pendant
l’essai de traction
3.14 3.14
contrainte de traction axiale
σ
zz
force de traction uniaxiale (3.13)(3.13) supportée par l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale)
à tout moment pendant l’essai, divisée par l’aire initiale de la section transversale (3.8)(3.8)
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ISO 4255:2025(fr)
Note 1 à l’article l'article: La contrainte de traction axiale effective correspondant à la force de traction uniaxiale
supportée par l’éprouvette dans la direction axiale (ou longitudinale) à tout moment pendant l’essai divisée par l’aire
effective de la section transversale (3.9)(3.9) est notée σ .
zz,eff
3.15 3.15
force de traction uniaxiale maximale
F
m
force de traction uniaxiale la plus élevée enregistrée au cours d’un essai de traction sur une éprouvette jusqu’à
rupture
3.16 3.16
résistance en traction axiale
σ
zz,m
rapport entre la force de traction uniaxiale maximale (3.15)(3.15) et l’aire initiale de la section transversale
(3.8)(3.8)
Note 1 à l’article l'article: La résistance en traction axiale effective correspondant au rapport de la force de traction
uniaxiale maximale (3.15)(3.15) à l’aire effective de la section transversale (3.9)(3.9) est notée σ .
zz,m,eff
3.17 3.17
Module de traction
E
zz
pente de la partie linéaire initiale de la courbe contrainte-déformation à
l’origine ou près de l’origine
Note 1 à l’articlel'article: La partie linéaire peut ne pas exister ou peut ne pas commencer à l’origine. Les différentes
situations qui correspondent à ces cas sont décrites à l’Annexe A.l’Annexe A.
Note 2 à l’articlel'article: Le module de traction effectif correspondant à la pente de la partie linéaire de la courbe
contrainte-déformation à l’origine ou près de l’origine lorsque la contrainte de traction axiale effective est utilisée est
noté Ezz eff.
3.18 3.18
coefficient de Poisson
ν
θz
rapport négatif de la déformation circonférentielle (3.12)(3.12) à la déformation en traction axiale (3.11)(3.11)
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.19, modifiée – les mots «en traction» ont été ajoutés]
3.19 3.19
système de coordonnées
système utilisé pour déterminer une position dans l’espace
Note 1 à l’articlel'article: Les coordonnées cylindriques sont adoptées dans le présent document.
Note 2 à l’articlel'article: Les notations présentées à la Figure 1Figure 1 s’appliquent pour une représentation dans
l’espace.
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4255_ed1fig1.EPS
Légende
z axial
r radial
θ azimutal (ou orthoradial)
Figure 1 — Système de coordonnées cylindriques utilisé pour les tubes CMC
[SOURCE: ISO 20323:2018, 3.20, modifiée – coordonnée azimutale prise en compte]
4 Principe
Une éprouvette tubulaire de dimensions spécifiées et préalablement préparée est chauffée à la température
d’essai, puis soumise à un essai de traction uniaxiale monotone jusqu’à rupture. L’essai est réalisé à vitesse de
déplacement de la traverse constante, ou à vitesse de déformation constante (ou à vitesse de chargement
constante). La force appliquée et la déformation longitudinale résultante sont mesurées et enregistrées
simultanément. La résistance et la déformation en traction uniaxiale sont déterminées à partir de la force
maximale appliquée, les autres propriétés en traction axiale sont déterminées directement à partir de la
réponse contrainte-déformation.
Lorsqu’une vitesse de chargement constante est utilisée dans la région non linéaire de la courbe de traction,
l’essai permet d’obtenir uniquement la résistance en traction axiale (3.16).(3.16). Dans cette région, une
vitesse de déplacement de la traverse constante ou une vitesse de déformation constante est recommandée
pour obtenir la courbe complète.
NOTE 1 La durée d’essai est limitée afin de réduire les effets du fluage.
NOTE 2 Un chargement en traction uniaxiale signifie que la force est appliquée parallèlement à l’axe du tube, tandis
que le terme monotone désigne une vitesse d’essai continue ininterrompue sans retour en arrière jusqu’à rupture.
5 Appareillage
5.1 Machine d’essai
La machine d’essai doit être équipée d’un système de mesure de la force appliquée à l’éprouvette tubulaire
qui doit être de classe 1 ou mieux, conformément à l’ISO 7500--01.
Il convient que cette exigence reste vraie dans les conditions réelles de l’essai, par exemple, pression et
température du gaz.
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ISO 4255:2025(fr)
5.2 Dispositif de préhension
5.2.1 Fixation de l’éprouvette
Différents types de dispositifs de préhension peuvent être utilisés pour transmettre la force mesurée
appliquée par la machine d’essai à l’éprouvette tubulaire. Le dispositif doit permettre d’éviter tout glissement
de l’éprouvette tubulaire.
La nature fragile des composites à matrice céramique (CMC) impose d’avoir un contact uniforme et continu
entre les pièces de fixation et la partie fixée de l’éprouvette tubulaire de manière à réduire au minimum
l’apparition de fissures et d’une rupture dans cette zone.
Les dispositifs de préhension sont généralement de deux catégories: ceux employant des interfaces de fixation
dites «actives» et ceux employant des interfaces de fixation dites «passives» qui incluent le dispositif de
préhension avec une liaison par collage ou par l’intermédiaire d’une goupille rotulée. Des exemples, des
descriptions et des conceptions pour les deux types de fixations sont documentés dans l’ISO 20323 pour les
essais sur CMC à température ambiante. Pour les essais à température élevée, ceux-ci doivent tenir compte
des contraintes de chauffage et environnementales associées au système utilisé.
5.2.2 Emplacement et température des mors
Selon la configuration de la machine d’essai, le dispositif de préhension peut être situé à l’intérieur ou à
l’extérieur de la zone chauffée.
— — Les mors non refroidis situés à l’intérieur de la zone chauffée sont appelés «mors chauds» et ne
produisent généralement pratiquement aucun gradient thermique dans l’éprouvette.
— — Les mors refroidis situés à l’extérieur de la zone chauffée sont appelés «mors froids» et induisent
généralement un gradient thermique important dans l’éprouvette. Les mors situés à l’extérieur de la zone
chauffée entourant l’éprouvette peuvent ou non utiliser le refroidissement.
La Figure 2La Figure 2 montre un exemple schématique pour illustrer le principe d’une conception de fixation
satisfaisante avec système de refroidissement pour permettre l’essai sur tubes CMC à haute température.
NOTE 1 Le choix du dispositif de préhension dépendra du matériau, de l’éprouvette et des exigences relatives à
l’alignement. Le coût du système de refroidissement pour les mors froids est compensé par le maintien d’un alignement
qui reste constant d’un essai à l’autre et par la diminution de la dégradation du mors due à l’exposition à l’environnement
oxydant à haute température.
NOTE 2 La technique des mors chauds est limitée en température en raison de la nature et de la résistance des
matériaux constitutifs des mors.
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4255_ed1fig2.EPS
Légende
1 éprouvette tubulaire
2 dispositif de mors froid supérieur
3 panneau d’isolation thermique
4 système de refroidissement
5 fenêtre pour l’extensomètre
6 dispositif de mors froid inférieur
7 four
Figure 2 — Exemple de configuration de «mors froid» pour la détermination des propriétés axiales
des tubes CMC à haute température
5.2.3 Systèmes d’application d’effort
Les systèmes d’application d’effort, qui sont étroitement liés au type de dispositif de préhension, jouent un
rôle primordial dans l’alignement de la ligne de force et dans les contraintes de flexions parasites imposées
dans l’éprouvette tubulaire; ils sont généralement classés comme fixes et non fixes et sont décrits dans
l’ISO 20323.
S’il est possible d’utiliser chacun des systèmes, celui-ci doit être tel que la charge indiquée par la cellule de
force et la charge supportée par l’éprouvette tubulaire soient les mêmes. Le chauffage ne doit pas modifier la
performance du système d’application de l’effort, y compris l’alignement et la transmission de l’effort.
Le système d’application de l’effort doit aligner l’axe de l’éprouvette tubulaire avec la direction d’application
de la force sans introduire de flexion ou de torsion dans l’éprouvette.
L’alignement doit être vérifié à température ambiante et documenté. Il convient d’appliquer le mode
opératoire décrit dans l’ISO 17161, adapté à une éprouvette de géométrie tubulaire.
−4
Le pourcentage maximal en flexion ne doit pas dépasser 5 % pour une déformation moyenne de 5 × 10 .
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ISO 4255:2025(fr)
5.3 Enceinte d’essai et dispositif de chauffage
L’enceinte d’essai doit être la plus étanche au gaz possible et elle doit permettre un contrôle adéquat de
l’environnement près de l’éprouvette tubulaire pendant l’essai.
L’installation doit être telle que la variation de charge due à la variation de pression soit inférieure à 1 % de
l’échelle de la cellule de force utilisée.
Si une atmosphère gazeuse est utilisée, elle doit être choisie en fonction du matériau à soumettre à l’essai et
de la température d’essai. Le niveau de pression doit être choisi en fonction du matériau à soumettre à l’essai,
de la température, du type de gaz et du type d’extensomètre.
Si une enceinte à vide est utilisée, le niveau de vide ne doit pas induire d’instabilités chimiques et/ou physiques
du matériau des éprouvettes et des tiges de l’extensomètre, le cas échéant. Un vide primaire (en général, une
pression de 1 Pa ou moins) est recommandé.
5.4 Appareil de chauffage
Le dispositif de chauffage doit être conçu de sorte que le gradient de température sur la longueur de jauge
corresponde à un écart maximal de 20 °C par rapport à la température d’essai.
Le chauffage peut être assuré par résistance électrique indirecte (éléments chauffants), induction indirecte à
travers un suscepteur, ou via l’utilisation d’une lampe radiante, auquel cas l’éprouvette tubulaire est placée
dans l’air ambiant à la pression atmosphérique, à moins que d’autres environnements ne soient
spécifiquement appliqués et consignés par écrit. Le chauffage direct par résistance ne permet pas un chauffage
uniforme de l’éprouvette tubulaire CMC en raison des matériaux constitutifs et n’est donc pas acceptable.
NOTE Un exemple de méthode d’étalonnage de la température d’essai est décrit dans l’ISO 14574.
5.5 Mesurage de la déformation
5.5.1 Généralités
Il convient de mesurer la déformation de manière locale afin d’éviter de devoir prendre en compte la
complaisance de la machine. Cela peut se faire au moyen d’extensomètres appropriés ou encore par
corrélation d’images numériques (DIC). Si le coefficient de Poisson doit être déterminé, l’éprouvette tubulaire
doit être équipée d’instruments de mesure de la déformation dans les directions axiale (ou longitudinale) et
circonférentielle.
NOTE Les jauges de déformation résistives encollées sont utilisées uniquement pour la vérification de l’alignement
de l’éprouvette à température ambiante. Elles ne peuvent pas être utilisées pour mesurer la déformation axiale (ou
longitudinale) de l’éprouvette durant l’essai à haute température.
5.5.2 Extensomètres
5.5.2.1 Généralités
Les extensomètres utilisés pour les essais de traction sur éprouvettes tubulaires CMC doivent être capables
d’enregistrer en continu la déformation longitudinale à la température d’essai. L’utilisation d’un extensomètre
avec la plus grande longueur de jauge est recommandée avec un minimum de 25 mm requis.
Les extensomètres doivent répondre aux exigences de la classe 1 ou d’une classe inférieure (classe 0,5)
conformément à l’ISO 9513. Des exemples d’extensomètres d’usage courant sont décrits en 5.5.2.25.5.2.2 et
5.5.2.3.5.5.2.3.
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5.5.2.2 Extensomètre mécanique
Dans le cas d’un extensomètre mécanique (ou à contact), la longueur utile doit être la distance longitudinale
entre les deux emplacements situés au centre de la région médiane de la direction axiale de la longueur de
jauge où les tiges de l’extensomètre entrent en contact avec l’éprouvette. Il convient que le système d’accroche
n’endommage pas la surface de l’éprouvette.
Les tiges de l’extensomètre peuvent être exposées à des températures supérieures à la température de
l’éprouvette. L’exactitude de la mesure de la déformation ne doit pas être affectée par des modifications de la
structure du matériau des tiges dues à la température. Le matériau utilisé pour les tiges doit être compatible
chimiquement avec le matériau de l’éprouvette à la température d’essai.
Les forces de contact d’un extensomètre ne doivent pas entraîner de flexion supérieure à celle autorisée
en 5.2.3.5.2.3.
Il convient de veiller à la correction des modifications d’étalonnage de l’extensomètre lorsque celui-ci est
utilisé dans des conditions différentes de celles de l’étalonnage. La vérification peut s’effectuer en mesurant le
module de traction sur une éprouvette constituée d’un matériau bien connu.
Il convient de régler la pression des tiges sur l’éprouvette au minimum nécessaire pour éviter qu’elles ne
glissent.
5.5.2.3 Extensomètre électro-optique
Les mesurages électro-optiques en transmission nécessitent la présence de repères de référence sur
l’éprouvette. Des tiges ou des drapeaux doivent, à cet effet, être fixés à la surface de l’éprouvette,
perpendiculairement à son axe. La longueur de jauge doit correspondre à la distance longitudinale entre les
deux repères de référence. Le matériau utilisé pour les repères (et éventuellement la colle) doit être
compatible avec le matériau de l’éprouvette tubulaire et être durable à la température d’essai sans modifier
le champ de contrainte de l’éprouvette.
L’utilisation de drapeaux intégrés à la géométrie de l’éprouvette n’est pas recommandée du fait des
concentrations de contrainte induites par ces singularités.
L’utilisation d’un extensomètre électro-optique n’est pas recommandée s’il n’est pas possible de distinguer la
couleur des repères de référence de celle de l’éprouvette.
5.5.3 Corrélation d’images numériques
La méthode par corrélation d’images numériques (DIC) peut être utilisée pour les mesures du champ de
déformation sans contact à température élevée.
La procédure générale à suivre pour estimer la déformation doit respecter la norme ASTM E2208--02 adaptée
aux essais à haute température.
Cette technique utilise habituellement un filtre optique pour réduire l’influence du rayonnement sur
l’intensité des images capturées et pour fournir un rapport signal/bruit correct de motifs aléatoires à
température élevée. Afin d’améliorer la précision de mesure, la taille de la fenêtre du four peut être réduite.
En cas de mesure de la déformation hors axe, il est nécessaire d’utiliser un objectif télécentrique pour
s’affranchir de la courbure des éprouvettes tubulaires.
La méthode de détermination des champs de déformation et les données d’étalonnage doivent être jointes au
rapport d’essai.
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NOTE Des lignes directrices concernant la méthode par corrélation d’images sur les tubes CMC sont renseignées
dans l’ISO 20323.
5.6 Dispositifs de mesure des températures
La mesure de la température doit être suffisamment sensible et fiable pour que la température de l’éprouvette
tubulaire soit conforme aux limites spécifiées en 7.1.2.7.1.2.
Des thermocouples conformes à l’IEC 60584--1 doivent être utilisés ou si des thermocouples non conformes
à l’IEC 60584--1 ou des pyromètres sont utilisés, les données d’étalonnage doivent être jointes au rapport
d’essai.
5.7 Système d’enregistrement des données
Un enregistreur étalonné doit être utilisé pour enregistrer la force de traction appliquée et l’allongement (ou
la déformation) mesuré dans la longueur de jauge au cours du temps. L’utilisation d’une chaîne d’acquisition
numérique des données est recommandée pour faciliter l’analyse ultérieure des données.
Les dispositifs d’enregistrement doivent présenter une précision de ±0,1 % incluant l’unité de lecture et
doivent pouvoir atteindre une fréquence d’acquisition de données minimale de 10 Hz avec une réponse de
50 Hz jugée plus que suffisante.
Le déplacement de la traverse de la machine d’essai peut également être enregistré, mais ne doit pas définir
le déplacement ou la déformation dans la longueur utile de l’éprouvette, en particulier lorsque des systèmes
d’auto-alignement sont utilisés pour appliquer l’effort.
5.8 Dispositifs de mesurage des dimensions
Les micromètres utilisés pour mesurer les dimensions de l’éprouvette tubulaire doivent être conformes à
l’ISO 3611. Il convient de mesurer les diamètres intérieur et extérieur de l’éprouvette tubulaire avec une
précision de 0,02 mm ou de 1 % de la dimension mesurée, cela quelle que soit la plus grande des deux valeurs.
Un micromètre à touche fixe plan ou un pied à coulisse de précision similaire peut être utilisé pour mesurer
la longueur de l’éprouvette et la longueur de jauge définie.
Les micromètres à touche fixe en forme de bille ou pointue ne sont pas recommandés pour les composites CMC
tubulaires, car les mesures résultantes peuvent être faussées par les crêtes et les creux liés à l’embuvage de
surface.
Dans certains cas, il est souhaitable, mais pas nécessaire, de déterminer les dimensions de l’éprouvette
tubulaire en retranchement de la rugosité de surface (diamètres intérieur et extérieur). Des méthodes telles
que la profilométrie par contact ou optique ou encore l’analyse d’images sur une section transversale polie
peuvent être utilisées à cette fin.
6 Éprouvette tubulaire
6.1 Spécifications des éprouvettes
6.1.1 Généralités
Les tubes CMC sont fabriqués dans une large gamme de dimensions et de géométries, recourant à un éventail
varié de renforts fibreux et de matrices céramiques distinctes pouvant être élaborés selon des procédés très
différents. L’architecture fibreuse des tubes CMC présente également un vaste choix de configurations
accessibles, différentiables notamment par la tension des fils ou encore par leur orientation. Par conséquent,
il est actuellement impossible de définir une géométrie unique d’éprouvette pour évaluer tous les tubes CMC.
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La sélection et la définition d’une géométrie d’éprouvette tubulaire dépendent de la nature du matériau et de
l’architecture de renfort. Le dispositif de préhension ainsi que les systèmes d’application d’effort (discutés en
5.2)5.2) peuvent influencer la conception de la géométrie de l’éprouvette. En outre, le succès d’un essai de
traction à température élevée dépend également du mode de chauffage et de son étendue, car les gradients
thermiques peuvent introduire une contrainte supplémentaire dans l’éprouvette.
6.1.2 Dimension
La méthode d’essai décrite s’applique aux tubes CMC de diamètre extérieur supérieur à 7 mm et ayant une
épaisseur de paroi d’au moins 0,5 mm, correspondant approximativement à l’épaisseur minimale d’une
couche. Le rapport entre le diamètre extérieur et l’épaisseur de paroi (d /h) est généralement compris entre
o
5 et 30.
La longueur totale (L ) de l’éprouvette dépend de la configuration expérimentale choisie pour l’essai à
t
température élevée, avec un minimum de 60 mm requis dans la zone à température d’essai contrôlée. Les
valeurs recommandées sont généralement supérieures à 150 mm.
Dans tous les cas, le volume dans la longueur de jauge (L ) doit être représentatif du matériau composite. En
règle générale, il convient de sélectionner la longueur utile (l) de manière à garder le rapport (l/d ) entre 2
o
et 3 avec une valeur minimale requise de 25 mm.
Il peut être nécessaire de s’écarter des plages recommandées selon la nature particulière du composite CMC
à évaluer.
6.1.3 Géométrie couramment utilisée
Une géométrie de tube à bords droits, qui ne nécessite pas d’usinage pour obtenir les dimensions appropriées,
est recommandée pour réaliser l’essai. En cas d’utilisation d’un dispositif de préhension à froid, les
éprouvettes tubulaires avec une longueur de jauge profilée sont préférées pour réduire le gradient thermique
dans la longueur utile.
Pour ces deux géométries, les surfaces interne et externe des éprouvettes peuvent être rugueuses et
irrégulières.
La Figure 3La Figure 3 représente une éprouvette tubulaire avec une géométrie à bords droits. Les exigences
dimensionnelles pour une éprouvette acceptable sont spécifiées dans le Tableau 1.Tableau 1.
La Figure 4La Figure 4 représente une éprouvette tubulaire avec une géométrie de longueur de jauge profilée.
Les exigences dimensionnelles pour une éprouvette acceptable sont spécifiées dans le Tableau 2.Tableau 2.
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Figure 3 — Éprouvette tubulaire «générique» à bords droits
Tableau 1 — Exigences dimensionnelles pour le type d’éprouvette tubulaire à bords droits
Dimensions en millimètres
Variable Symbole Valeur minimale Tolérance
Longueur totale L > 60 exposés à la température d’essai ±2
t
Longueur utile I > 30 pour une longueur de jauge minimale de 25 mm ±0,2
Diamètre extérieur do > 7 ±0,2
Épaisseur de paroi h > 0,5 et correspondant au minimum à une seule couche ±0,2
Cylindricité c - 0,1
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Figure 4 — Éprouvette tubulaire profilée «générique»
Tableau 2 — Exigences dimensionnelles pour les éprouvettes tubulaires profilées
Dimensions en millimètres
Variable Symbole Valeur minimale Tolérance
Longueur totale Lt > 150 ±2
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Variable Symbole Valeur minimale Tolérance
> 60 exposés à la température d’essai avec une longueur
Longueur utile L ±0,2
minimale de jauge de 25 mm
Diamètre utile D au moins (d + 2h ) ±0,2
o min
Diamètre extérieur do > 7 ±0,2
Épaisseur de paroi h > 0,5 et correspondant au minimum à une seule couche ±0,2
Rayon de courbure R > 15 ±2
Cylindricité c - 0,1
6.1.4 Tolérances et variabilité
Les tolérances dimensionnelles sont associées à la géométrie d’éprouvette spécifique sélectionnée, au procédé
de fabrication et aux exigences de performance de l’application du composite CMC. Il est courant pour des
tubes CMC d’avoir une variabilité diamétrale relative, en particulier pour les tubes de diamètre important.
La section utile de l’éprouvette peut être usinée ou non selon une tolérance particulière (voir les Tableaux 1
et 2).Tableaux 1 et 2). Toutefois, pour tous les types d’éprouvettes, la différence de diamètre utile entre trois
mesures (réalisées au centre et à chaque extrémité de la longueur utile) ne doit pas dépasser 2 % de la valeur
moyenne.
NOTE Le mesurage des diamètres externes des tubes CMC peut être effectué à l’aide d’instruments appropriés tels
que «micromètre d’intérieur à 3 touches» ou «micromètre d’intérieur avec tige».
6.2 Préparation des éprouvettes
6.2.1 Généralités
Tout mode opératoire permettant la préparation des éprouvettes, y compris celles décrites ici, peut être utilisé
tant que celui-ci est consigné par écrit avec suffisamment de détails pour pouvoir être reproduit.
L’usinage ou le polissage de l’éprouvette tubulaire peut être nécessaire pour deux raisons:
a) a) pour prétendre à un diamètre ajusté de la zone utile;
b) b) pour obtenir un diamètre uniforme dans la zone de préhension permettant un bon ajustement
avec le dispositif de préhension.
Selon l’utilisation qui sera faite des données de l’essai, l’une des procédures de préparation des éprouvettes
suivantes doit être utilisée.
6.2.2 Éprouvettes brutes de fabrication
L’éprouvette tubulaire doit présenter un état de surface et un mode de fabrication qui soient représentatifs
lorsqu’aucun usinage n’est pratiqué. Si tel est le cas, le recours à un usinage intentionnel n’est pas indiqué. Les
éprouvettes brutes de fabrication peuvent présenter des surfaces rugueuses et des épaisseurs de paroi non
uniformes qui peuvent par conséquent provoquer un désalignement ou être sujettes à des ruptures en dehors
de la zone utile, voire les deux.
6.2.3 Recours à un usinage de surface conforme à l’application
L’éprouvette tubulaire doit présenter le même état de surface que celui du composant ciblé. Pour ce faire,
excepté si le mode opératoire relève d’un savoir-faire propre au laboratoire, toutes les précisions décrivant
les étapes d’élimination de matière, les tailles de grains des disques de polissage, la nature de la suspension
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