Tribocorrosimètre pour l`étude du fretting-corrosion

Tribocorrosimètre pour l'étude du fretting-corrosion
Julie PELLIER, Jean GERINGER, Bernard FOREST
École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 158 cours Fauriel, 42023 Saint-Etienne Cedex 02
Contexte de l’étude :
Le descellement des tiges fémorales de prothèses de hanche est principalement dû au fretting-corrosion.
Chaque année, 120 000 prothèses totales de hanche sont posées en France et 800 000, en Europe. Par ailleurs, 10 % des prothèses reprises après 10 ans. Les enjeux deviennent
de santé publique en raison du vieillissement de la population.
Fretting-corrosion :
Frottement sous petits débattements (quelques µm à quelques centaines µm) entre deux surfaces en contact, en milieu corrosif.
Objectifs :
Reproduire le phénomène de fretting-corrosion entre un échantillon métallique plan (acier inox 316L) simulant la tige fémorale et un polymère cylindrique transparent (PMMA)
simulant le ciment chirurgical.
Identifier et quantifier les débris (synergie corrosion et mécanique)
Étude à sec
Étude en solution
Objectifs : déterminer la transition entre le glissement partiel et total
établir une carte de fretting à sec pour les deux matériaux en contact
Objectifs : comparer les comportements à sec et en solution
étudier les mécanismes d’usure de l’acier inoxydable 316L
déterminer le terme de synergie « mécanique-corrosion »
PMMA
PMMA
glissement
316L
Bumper
(amortissement)
Cellule de force
Électrode de
référence (ECS)
Contre-électrode (fil
de platine)
glissement
316L
Moteur
Échantillons
Capteur capacitif
de déplacement
Détermination de la transition entre le
glissement partiel et total
Bûche de fretting
Glissement partiel : cycles elliptiques, la
• Solution de Ringer
• Force normale = 170 N
• Débattement total : 80 µm
• Durée totale = 1800 cycles
zone de contact est divisée en deux
parties, une zone collée et une zone de
glissement.
Glissement total : cycles en forme de
parallélogramme, avec une phase de
déformation élastique et une phase de
glissement (force tangentielle constante).
Transition GP/GT
en solution
Méthodes des débattements variables
Comparaison des transitions à sec et en
solution
Transition
GP/GT à sec
Période de rodage = 1000 cycles
9 paliers : 2 µm, 5 µm, 10 µm, 15 µm,
20 µm, 30 µm, 40 µm, 60 µm et 80 µm
Durée des paliers = 200 cycles
Fréquence = 1Hz
Forces normales = 42,5 N (cf. graphe),
85 N, 127,5N et 170 N
Le déplacement à la transition est déplacé
vers des valeurs plus faibles lorsque l’on
est en solution : effet lubrifiant.
Mesure électrochimique : potentiel libre
Carte de fretting à sec
Forces normales = 42,5 N (cf. graphe),
85 N, 127,5N et 170 N
Débattement : de 5 µm à 60 µm
Î Transition glissement partiel/total
• Fn = 127,5 N, f = 1 Hz, d = ± 40 µm, solution de
Ringer
• La diminution du potentiel libre lorsqu’on
commence le fretting correspond à une
endommagement de la surface.
• L’arrêt du fretting entraine un remontée du
potentiel, atteignant presque sa valeur initiale
(=phénomène réversible).
Usure W : synergie corrosion-mécanique
W = Wc + Wm + ΔW
Volume total
d’usure
Usure due à la corrosion
sans frottement
Usure mécanique en
absence de corrosion
Synergie entre corrosion et
frottement
Conclusions et perspectives :
Les principaux objectifs de la thèse
• comparaison des résultats à sec avec les résultats de la thèse précédente (J. GERINGER) sur un dispositif différent
• détermination des mécanismes d’usure en solution de Ringer (solution simulant le liquide physiologique)
• détermination du terme de synergie et comparaison électrochimique du comportement de la surface avec et sans fretting
• détermination qualitative et quantitative de l’usure et des débris
• étude à potentiel imposé : carte d’usure pour le contact étudié en fonction du potentiel appliqué
Subventions : Conseil Général de la Loire
Saint-Etienne Métropole
Dotation parlementaire C. Cabal