Comportement à la fatigue cyclique de disques en biocéramiques sollicités en compression diamétrale

Behaviour of bioceramic disks submitted to a diametral compressive loading

¹ Laboratoire de Recherche en Biomécanique et Biomatériaux Orthopédique, Institut KASSAB, Ksar Saïd, Tunisie
² Laboratoire de Fiabilité Mécanique de l'ENIM, Île de Saulcy, 57045 Metz, France
³ Institut National des Sciences Appliquées et de Technologie de Tunis, BP 676, 1080 Tunis Cedex, Tunisie
⁴ École Nationale d'Ingénieurs de Metz (ENIM), Île de Saulcy, 57045 Metz, France

Auteur de correspondance : samir.hamza@insat.rnu.tn

Reçu : 25 Janvier 2003
Accepté : 2 Juillet 2004

Résumé

L'objectif de ce travail est l'étude du comportement à la fatigue cyclique de disques sollicités en compression diamétrale en biocéramiques orthopédiques d'alumine et de zircone (Al₂O₃, ZrO₂) utilisées pour la conception des prothèses ostéo-articulaires. Nous étudions, grâce aux calculs numériques, l'état de contraintes sur un cotyle d'une prothèse totale de hanche en se basant sur les travaux de Pauwels [Pauwels, Biomécanique de la hanche saine et pathologique, principe, technique et résultats d'une thérapeutique causale, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1977]. La zone la plus sollicitée en contrainte de traction potentiellement à l'origine d'une rupture par fatigue est déterminée. Nous rassemblons des résultats sur la propagation et l'amorçage des fissures de fatigue sous chargement cyclique en compression sur des éprouvettes de simulation de type disque brésilien chargées en mode I et en mode mixte I+II.

Abstract

This research aims to study the propagation of fatigue crack under compression loading in zirconia and alumina bioceramics (Al₂O₃, ZrO₂) used as femoral heads in total hip replacements (THR). Our aim is to improve lifetime and reliability of bioceramics joint prostheses. In the first part of the paper, we study, using Finite Element Analysis, the stress concentrations around the cup of a total hip prosthesis on the basis of the Pauwels works [Pauwels, Biomécanique de la hanche saine et pathologique, principe, technique et résultats d'une thérapeutique causale, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1977]. The most loaded zone in tension, preferential area of potential crack initiation, has been identified. In the second part are collected results on propagation and initiation of fatigue cracks under compression cyclic loading in brazilian disks loaded in mode I and in mixed mode I+II.