Etude de la propagation des fissures dans une zircone 3Y-TZP pour applications biomédicales
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The Slow Crack Growth (SCG) behavior of different 3Y-TZP is investigated under bath static and cyclic solicitations, in different media, by the double torsion method and by flexural tests on indented bars. After a preliminary study of the testing methods themselves (validity conditions), we have studied the materials properties. Crack propagation under static conditions is related to stress corrosion at the crack tip by water molecules. Indeed, crack propagation is limited under vacuum conditions and accelerated in water. A typical three stage law is obtained in air, with the presence of a well-defined threshold under which no propagation occurs. An activation energy of about 70 KJ/mol. Has been calculated by measurements from crack velocity measurements from 3°C to 85°. The role of crack tip phase transformation on crack propagation has been investigated. It appears that 3Y-TZP with the largest grain size exhibit the best resistance to crack propagation as a direct consequence of transformation toughening. Crack propagation under cyclic conditions is due to stress corrosion assisted by mechanical degradation. Crack velocity are one or two order of magnitude higher under cyclic fatigue than that predicted by SCG laws under static fatigue as a consequence of crack bridging and/or crack tip shielding degradation. A stress intensity factor threshold is still observed under cyclic solicitations. Its value depends on the loading conditions and the amount of crack tip degradation.
Abstract FR:
La zircone 3 Y-TZP a été introduite en orthopédie en 1985 pour la réalisation de têtes de prothèses de hanche en céramiques. Ses qualités exceptionnelles (propriétés mécaniques, frottement) ont permis à la zircone 3 Y-TZP de se développer au dépend de l'alumine voire des métaux. Pour des applications biomédicales, l'évaluation de la durée de vie des matériaux et des pièces en fonctionnement est capitale. Nous avons montré que la zircone comme toutes les céramiques est sensible au phénomène de propagation sous critique des fissures. Notre but a donc été de quantifier et comprendre ce phénomène, après avoir réalisé une étude critique de validation sur nos méthodes de mesure (tests de double torsion et de fatigue sur indentation Vickers). Nous avons montré le rôle fondamental joué par les molécules d’eau qui agissent en diminuant l'énergie nécessaire à la rupture des liaisons de la céramique. Nous avons proposé un mécanisme de corrosion sous contrainte dans les mêmes termes que ceux de Lawn pour la propagation dans le verre (seuil de fissuration, trois stades de propagation, activation thermique. . . ). Nous avons aussi mis en avant le renforcement par transformation de phase qui est d'autant plus important que la taille de grains est grossière. Sous chargement cyclique, nous avons observé une dégradation limitée de la résistance à la propagation des fissures que nous attribuons à une détérioration des mécanismes de renforcement (pontage et transformation de phase). Le résultat principal de notre étude est la mise en évidence très nette de seuils de fissuration, que ce soit sous chargement statique ou cyclique, en dessous desquels aucune propagation sous critique n'apparaît. Ces seuils sont d'un intérêt théorique et pratique évident. Ils définissent en outre un coefficient de sécurité pour les têtes fémorales.